DE3218950A1 - Hoechstfrequenz-primaerquelle fuer eine antenne mit konischer strahlschwenkung und antenne mit einer solchen primaerquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Primärquelle für eine An­ tenne mit konischer Strahlschwenkung, insbesondere mit koni­ scher Phasenschwenkung. Antennen mit konischer Strahlschwenkung sind meistens Radarsystemen zugeordnet, die zur Zielverfolgung benutzt werden; es erscheint angebracht, kurz darauf einzugehen, aus was eine Anordnung mit konischer Strahlschwenkung besteht, obgleich eine solche Anordnung den Fachleuten bekannt ist und solche Beschreibungen in der Literatur verfügbar sind.

In einer Anordnung mit konischer Amplitudenschwenkung, die ein Fokussierungssystem enthält, wird die Antenne von einer Primär­ quelle angestrahlt, und ihr Phasenzentrum beschreibt um die Brennachse des Systems einen Kreis mit vorbestimmten, in der Brennebene liegendem Radius. Bei einer solchen Antenne ist das Strahlungsdiagramm nicht mehr auf die Fokussierungsachse des Systems zentriert, sondern es dreht sich im Raum so, daß die Richtung der maximalen Strahlung einen Kegel beschreibt, dessen Halbwinkel am Scheitelpunkt als Schielwinkel der An­ tenne (in der englischsprachigen Literatur aus squint angle) bezeichnet wird. Ohne die Verwendung eines Fokussierungssystems kann die konische Strahlschwenkung mittels einer sich drehen­ den Quelle erhalten werden, die bezüglich ihrer Drehachse ge­ neigt ist und deren Phasenzentrum auf dieser Achse liegt. Da bei einer solchen Anordnung das Strahlungsdiagramm jedoch für den Sendebetrieb und den Empfangsbetrieb gleich ist, ist es möglich, durch Analysieren des Sendestrahlungsdiagramms die Rotationsfrequenz zu bestimmen und diese Kenntnis zu Stör­ zwecken auszunutzen.

In einer Anordnung mit konischer Phasenschwenkung, wie sie beispielsweise in der FR-PS 78 36 245 vom 22. Dezember 1978 erläutert ist, beschreibt das Phasenzentrum der ausgesendeten Strahlung einen Kreis, der in einer zur Richtung der maxima­ len Strahlung der Antenne senkrechten Ebene liegt.

Da das Sendestrahlungsdiagramm zentrisch zur Antennenachse liegt, ist es nicht mehr möglich, aus diesem Diagramm die Rotationsfrequenz zu bestimmen und zu Störzwecken auszunutzen.

Gewisse Ausführungsformen von Höchstfrequenzquellen, die in der genannten französischen Patentschrift beschrieben und in den Fig. 1 und 2 schematisch wiedergege­ ben sind, können Anlaß zu gewissen Einschränkungen in mecha­ nischer Hinsicht geben, die vermieden werden sollten.

In der Ausführungsform von Fig. 1 wird eine gegen einen Re­ flektor 1 geneigte Primärquelle 2 so gedreht, daß sein Pha­ senzentrum starr im Brennpunkt F des Antennensystems verbleibt. Damit diese Drehung durchgeführt werden kann, wird ein ge­ kröpfter Speisewellenleiter 3 vorgesehen, der an eine Dreh­ kupplung 5 angeschlossen ist, die ihrerseits mittels eines Übergangs 4 mit einem gebogenen Wellenleiter 6 verbunden ist; der Übergang 4 gewährleistet die Überführung des Wellenlei­ ters 50 mit Kreisquerschnitt zum Wellenleiter 6 mit Rechteck­ querschnitt. In einer solchen Ausführungsform muß die Quelle vom dynamischen Standpunkt aus sorgfältig ausbalanciert werden, und außerdem ist die Mechanik relativ kompliziert.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird zur Er­ zielung der konischen Phasenschwenkung ein Prisma 7 verwen­ det, das sich vor einer axial festen Primärquelle 8 in einer Cassegrain-Antenne dreht. Das Prisma besteht aus einem natür­ lichen oder künstlichen dielektrischen Material. Die Antenne enthält einen Hauptreflektor 9 und einen Hilfsreflektor 10, die beide rotationssymmetrisch zur z-Achse sind; der Hilfs­ reflektor wird von Armen 12, 120 gehalten. Die Primärquelle 8, die ein geriffelter, kreisförmiger Hornstrahler ist, ist mit­ tels eines Wellenleiters 11 an eine Speisequelle angeschlossen. Im rotierenden Zustand, der durch Drehen um die z-Achse mit­ tels eines Zahnkranzes 13, der mit einem fest mit einem Motor 15 verbundenen Zahnkranz 14 in Eingriff steht, hervorgerufen wird, dreht sich das Prisma 7 um das Phasenzentrum der von dem Hornstrahler 8 ausgesendeten Wellen in einer parallel zur Öff­ nung der Antenne verlaufenden Ebene. Dieses Phasenzentrum C 1 der ausgesendeten Wellen verschiebt sich in der Öffnungsebene 25.

Das Anbringen eines Prismas vor der Mündung des Hornstrahlers der Primärquelle birgt jedoch bei dieser Ausführungsform das Risiko, eine störende Amplitudenmodulation bei gewissen Rota­ tionsfrequenzen hervorzurufen, bei denen das Phasenzentrum nicht mehr stabil ist, so daß es notwendig wird, in der Öff­ nung 20 des Hornstrahlers 8 eine Linse 26 anzubringen. Außer­ dem ist der Ablenkwinkel des Strahlungsdiagramms klein, und das Durchlaßband ist schmal.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Höchstfrequenz-Primärquelle geschaffen werden, die eine konische Phasenschwenkung ermög­ licht, ohne die soeben geschilderten Nachteile des Standes der Technik sowohl in elektrischer als auch in mechanischer Hinsicht aufzuweisen.

Nach der Erfindung ist eine Höchstfrequenz-Primärquelle für eine Antenne mit konischer Phasenschwenkung, mit einem koni­ schen Hornstrahler, der von einem starren Wellenleiter mit Kreisquerschnitt mit dem Wellentyp TE₁₁ erregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler ein Hinderniselement enthält, das eine sich gemäß dem Wellentyp TE₂₁ ausbreitende Welle verursacht, die in der Öffnungsebene bezüglich des Wel­ lentyps TE₁₁ um 90° phasenverschoben ist, und daß der Horn­ strahler außerdem Mittel enthält, die eine Drehung der elek­ trischen Feldlinien des Wellentyps TE₂₁ hervorrufen, was eine Ablenkung des Strahlenbündels in der Symmetrieebene des Hin­ derniselements zur Folge hat.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, die, abgesehen von den sich auf bekannte Ausführungsformen beziehenden Fig. 1 und 2, im einzel­ nen folgendes zeigt

Fig. 3a und Fig. 3b schematische Ansichten einer nach der Erfindung ausgebildeten Primärquelle im Schnitt längs einer die Ausbreitungsrichtung enthaltenden Ebene und längs einer dazu senkrechten Ebene,

Fig. 4a, Fig. 4b und Fig. 4c schematische Darstellungen des Verlaufs der elektri­ schen Felder von zwei Wellen in der Öffnungsebene des Hornstrahlers,

Fig. 5 ein Diagramm der Strahlungskenngrößen einer die erfindungsgemäße Primärquelle enthaltenden Antenne und

Fig. 6a und Fig. 6b die Extrempositionen, die das Hinderniselement in dem Hornstrahler einnehmen kann.

In Fig. 3a ist eine erfindungsgemäße Quelle im Schnitt dar­ gestellt; sie enthält einen Eingangswellenleiter 27, in dem sich eine Welle im Grundwellentyp TE₁₀ ausbreitet. Dieser Eingangswellenleiter ist an einen Übergang 28 von einem Wel­ lenleiter mit Rechteckquerschnitt auf einen Wellenleiter mit Kreisquerschnitt angeschlossen, auf den ein Wellenleiter 29 mit Kreisquerschnitt folgt, in dem sich eine Welle im Grund­ wellentyp TE₁₁ ausbreitet. Das bei angegebene elektrische Feld verläuft senkrecht zur Schnittebene.

Vom Eingangswellenleiter 27 wird ein konischer Hornstrahler 30 gespeist. In der Nähe der Mündung des Hornstrahlers ist ein Hinderniselement 31 angebracht. Es hat allgemein die Form eines Halbkegels, und es liegt an der Wand des Hornstrah­ lers an, wie in Fig. 3a zu erkennen ist, wobei seine Achse parallel zur Achse des Hornstrahlers verläuft. Es besteht aus einem Dielektrikum mit einer allgemein zwischen 1 und 4,5 liegenden Dielektrizitätskonstanten und mit einem kleinen Verlustfaktor; es kann auch aus einem damit vergleichbaren Metall oder aus solchen Metallen bestehen, die bei der Her­ stellung von Radarquellen häufig verwendet werden, beispiels­ weise Kupfer oder Aluminium. Seine Dicke ist mit e angegeben, während L die Länge des Hornstrahlers ist. Der Wert a ist der Abstand zwischen der Mündung des Hornstrahlers und dem Punkt P des Hinderniselements. Der Abstand a liegt in der Größenordnung von ¹/₁₂ der Länge L. Wenn ⌀₁ der Durchmesser der Öffnung des Hornstrahlers ist und ⌀₂ der Durchmesser seiner Mündung ist, liegt e zwischen ⌀₁/6 und ⌀₁/4, was von der gewünschten Steigung der Winkelauflösungskurven abhängt. Das Hinderniselement 31 wandelt einen Teil der sich im Wellen­ typ TE₁₁ ausbreitenden Energie in eine sich im Wellentyp TE₂₁ und in höheren Wellentypen ausbreitende Energie um, von denen angenommen wird, daß sie sich aufgrund der Abmessungen des Hornstrahlers nicht ausbreiten können.

Fig. 3b ist ein Schnitt in der Öffnungsebene Q. Wenn ein rechtwinkliges Bezugssystem XY gewählt wird, bei dem die X-Achse für das Hinderniselement 31 in einer Symmetrieebene liegt, ergibt sich für den Wellentyp TE₁₁ ein Verlauf des elektrischen Feldes nach Fig. 4a und für den als damit in Phase angenommenen Wellentyp TE₂₁ gemäß Fig. 4b.

Nach der Erfindung werden die Kenngrößen des Hinderniselements 31, insbesondere seine Länge, so gewählt, daß in der Öffnungs­ ebene Q der Verlauf des elektrischen Feldes des Wellentyps TE₂₁ gemäß Fig. 4c erhalten wird. Wie zu erkennen ist, wird der Feldverlauf von Fig. 4b in dem Feldverlauf von Fig. 4c durch eine Drehung um 45° übergeführt, die dadurch erhalten werden kann, daß die Phase der sich im Wellentyp TE₂₁ ausbreitenden Welle bezüglich der sich im Wellentyp TE₁₁ ausbreitenden Welle um ^π/₄ verschoben wird.

Der Verlauf des resultierenden elektrischen Feldes hat bei einer Projektion längs der Y-Achse folgende Eigenschaften:

• - Die Felder an zwei bezüglich der Y-Achse symmetrischen Punkten sind zueinander konjugiert komplex; sie haben somit die gleiche Amplitude und zueinander entgegengesetzte Phasen;
• - die Felder an zwei bezüglich der X-Achse parallelen Punk­ ten sind gleich.

Wie bekannt ist, kann das Strahlungsdiagramm mit Hilfe der Fourier-Transformation erhalten werden. Wenn das Strahlungs­ diagramm mit einer parallel zur Y-Achse verlaufenden Polari­ sierung aus einem die obigen Eigenschaften aufweisenden Feld­ verlauf berechnet wird, ergibt sich in einer Richtung R der XZ-Ebene eine maximale Intensität, wobei R die Richtung des betrachteten Feldes ist.

Wenn der in Fig. 4c dargestellte Feldverlauf in bezug auf den Verlauf von Fig. 4b gedreht wird, ergibt sich eine Drehung der maximalen Intensität in der XZ-Ebene ohne Amplitudenmo­ dulation. Dies kann erhalten werden, indem entweder das Hin­ derniselement 31 bezüglich des in bezug auf den Wellenleiter 29 festgehaltenen Hornstrahlers 30 oder der Hornstrahler 30 bei bezüglich des Wellenleiters 29 festem Hinderniselement 31 gedreht wird.

In Fig. 3a ist eine Drehkupplung 32 zu erkennen, die es er­ möglicht, mit Hilfe eines nicht dargestellten Getriebes den Hornstrahler 30 zu drehen, in dem sich das Hinderniselement 31 ortsfest befindet. Es sind keine Mittel dargestellt worden, mit deren Hilfe allein das Hinderniselement 31 im Hornstrah­ ler gedreht werden kann. Diese ebenfalls mögliche Lösung ist kompliziert, so daß sie in der Praxis wahrscheinlich nicht angewendet wird. Diese Drehung ergibt die konische Phasen­ schwenkung. Im Verlauf dieser Drehung verbleibt das Phasen­ zentrum auf der Achse des Hornstrahlers. Wenn ein Reflektor mit einer solchen sich drehenden Quelle angestrahlt wird, er­ gibt sich somit ein Sekundärstrahlungsdiagramm, dessen Ampli­ tudenmaximum auf der Brennachse der Anordnung liegt und dessen Phasenzentrum auf dieser Achse verbleibt.

In Fig. 5 ist die Amplitudenkennlinie in der XZ-Ebene bei einer Antenne, die eine Primärquelle des oben beschriebenen Typs enthält, für die zwei schematisch in den Fig. 6a und 6b angegebenen Extrempositionen dargestellt.

In Fig. 5 gibt die Gerade 33 die Phase bei gemäß Fig. 6a lie­ gendem Hinderniselement an, während die Gerade 34 die Phase bei gemäß Fig. 6b liegendem Hinderniselement angibt. Die bei­ den Geraden 33 und 34 bestimmen mit der X-Achse den Schiel­ winkel Sq. Im Raum beschreibt die Phase des Diagramms einen rotationssymmetrischen Kegel.

Wenn das Hinderniselement aus einem bei der Herstellung von Radarquellen häufig verwendeten Metall wie Kupfer oder Alu­ minium hergestellt wird, ist der erhaltene Schwenkwinkel kleiner als der mittels eines aus einem Dielektrikum herge­ stellten Hinderniselements erreichbare Winkel. Dies ist darauf zurückzuführen, daß abklingende Wellentypen erzeugt werden.

Solche Quellen können vorteilhafterweise in Zielverfolgungs­ antennen benutzt werden; in Fig. 7 ist eine solche Quelle vor einer Gruppe von Reflektoren mit Polarisationsdrehung darge­ stellt. In dieser Figur ist der parabolische Hauptreflektor 9 zu erkennen, vor dem ein Reflektor 90 mit um 45° bezüglich der Polarisation geneigten Drähten liegt. Außerdem ist ein hyperbolischer Hilfsreflektor 10 zu erkennen, der mit parallel zur Polarisation der auf der Antennenachse angebrachten, rotie­ renden Primärquelle 30 verlaufenden Drähten versehen ist.

Es ist eine Höchstfrequenz-Quelle für eine Antenne mit koni­ scher Phasenschwenkung beschrieben worden, deren mechanische Ausgestaltung einfacher und leichter als bei bekannten Ausfüh­ rungsformen ist und die insbesondere bezüglich der Sendeband­ breite verbesserte Eigenschaften aufweist.

Claims (9)

1. Höchstfrequenz-Primärquelle für eine Antenne mit konischer Phasenschwenkung, mit einem konischen Hornstrahler, der von einem starren Wellenleiter mit Kreisquerschnitt mit dem Wellentyp TE₁₁ erregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hornstrahler (30) ein Hinderniselement (31) enthält, das eine sich gemäß dem Wellentyp TE₂₁ ausbreitende Welle verur­ sacht, die in der Öffnungsebene (Q) bezüglich des Wellentyps TE₁₁ um 90° phasenverschoben ist, und daß der Hornstrahler (30) außerdem Mittel (32) enthält, die eine Drehung der elektri­ schen Feldlinien des Wellentyps TE₂₁ hervorrufen, was eine Ablenkung des Strahlenbündels in der Symmetrieebene des Hin­ derniselements zur Folge hat.

2. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich das Hinderniselement (31) im Inneren des Hornstrahlers (30) um dessen Achse (V) dreht.

3. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hinderniselement (31) fest mit dem Horn­ strahler (30) verbunden ist, der sich um seine Achse (V) dreht.

4. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge des Hinderniselements (31), gemessen in der Ausbreitungsrichtung, kleiner als die Länge (L) des Hornstrahlers ist, wobei das Hinderniselement in der Öffnungs­ ebene (Q) des Hornstrahlers (30) endet.

5. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge des Hinderniselements in der Größen­ ordnung von ¹¹/₁₂ der Länge (L) des Hornstrahlers (30) liegt.

6. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hinderniselement (31) aus einem Dielektri­ kumstück besteht, das eine parallel zur Achse (V) des Horn­ strahlers (30) verlaufende Innenfläche (35) sowie eine an der Fläche des Hornstrahlers über einen Winkelsektor (36) anlie­ gende Außenfläche aufweist, dessen Höhe (e) zwischen ¹/₆ und ¹/₄ des Durchmessers (⌀1) der Öffnung des Hornstrahlers (30) liegt.

7. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des das Hindernis­ element (31) bildenden Materials zwischen 2 und 4,5 liegt und einen kleinen Verlustfaktor aufweist.

8. Höchstfrequenz-Primärquelle nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hinderniselement (31) aus einem Metallstück aus Kupfer oder aus Aluminium besteht.

9. Antenne für ein Zielverfolgungs-Radargerät mit einer Primär­ quelle nach Anspruch 3.