DE3608413A1 - Richtantennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einer bestimmten gewünschten Linearpolarisation arbeitende Richt­ antennenanordnung zur Erzeugung eines ein Peilminimum aufweisenden Differenzdiagramms mit einem aus Dipolen be­ stehenden Strahlersystem, das einen gekrümmten Re­ flektor in seiner räumlichen Ausdehnung anstrahlt.

Wird ein gekrümmter Antennenreflektor in seiner räumlichen Ausdehnung von einem linear polarisierten Primärstrahlersystem angestrahlt, so liegt der elektri­ sche Feldvektor der nach der Reflexion entstehenden Strahlung im allgemeinen nicht mehr parallel zur Polari­ sationsrichtung der ursprünglich vom Primärstrahlersystem abgegebenen elektromagnetischen Strahlung. Diese Tat­ sache ist z.B. aus dem Buch S. Silver: "Microwave Antenna Theory and Design", McGraw-Hill Book Company, 1949, S. 419 bekannt.

Während sich diese Erscheinung beim Summendiagramm nicht weiter störend auswirkt, addieren sich beim Differenzdiagramm in Peilrichtung die an den beiden gekrümmten Reflektorhälften durch die Spiegelung entstehenden Kreuzpolarisationskomponenten des Feldvektors, so daß in der Peilrichtung ein Maximum an kreuzpolarisierter elektromagnetischer Strahlungsenergie ausgesendet bzw. empfangen wird. Da in der Praxis mit dem Auftreten beider Polarisationskomponenten gerechnet werden muß, wird durch den Kreuzpolarisationsanteil der Strahlung das Peilminimum im Differenzdiagramm aufgefüllt und eine Peilung in Frage gestellt.

Aus der Zeitschrift "Electronics Letters", 4.10.73, Bd. 9, Nr. 20, S. 465 und 466 ist ein Dipol-Primärspeisesystem einer Mikrowellen-Reflektorantenne mit niedriger Kreuz­ polarisationsabstrahlung bekannt. Dieses Speisesystem besteht aus fünf Dipolen, von denen nur einer als Haupt­ dipol so gerichtet in der Mitte angeordnet ist, daß er eine Strahlung in der geforderten Polarisationsrichtung abstrahlen kann. Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich somit nicht um eine Richtantennenanordnung zur Erzeugung eines ein Peilmiminum aufweisenden Differenz­ diagramms, da sich mit einem einzigen Dipol kein Differenzdiagramm erstellen läßt. Die anderen vier Dipole dieser bekannten Anordnung sind den zentralen Hauptdipol umgebende Hilfsdipole, deren Funktion darin besteht, die an der Reflektoroberfläche entstehende kreuzpolarisierte Strahlung zu kompensieren. Die Richtung der vier Hilfs­ dipole ist senkrecht zur Richtung des Hauptdipols. Damit die störende kreuzpolarisierte Strahlung in ihrer Wirkung beseitigt wird, müssen in komplizierter Weise die Hilfsdipole durch eine eigene besondere Energiezuführung gerade so gespeist werden, daß die elektromagnetischen Wellen betrags- und phasenmäßig über die Ausdehnung des gekrümmten Reflektors eine Kompensation dieser fehlpola­ risierten Strahlung bewirken können.

Aus der DE-PS 24 11 158 ist eine Monopuls-Richtantennen­ anordnung zur Erzeugung eines ein Peilminimum auf­ weisenden Differenzdiagramms mit einem aus Dipolen be­ stehenden, einen gekrümmten Reflektor anstrahlenden Primärstrahlersystem bekannt, bei dem die beiden Schenkel eines jeden dieser Dipole einen weniger als 180° betragenden Winkel einschließen. Dieser Winkel ist so bemessen, daß die von den Dipolen ausgehenden, kreuz­ polarisierten elektromagnetischen Wellen mit einem solchen Betrag und in solcher Phasenlage über die räum­ liche Ausdehnung des gekrümmten Reflektors gestrahlt werden, daß die durch Reflexion der Primärstrahlung am Reflektor entstehende Kreuzpolarisationskomponente weit­ gehend kompensiert wird. Abhängig von der jeweiligen Krümmung des Reflektors ist entweder nur einer der beiden Schenkel der Dipole oder sind beide Schenkel der Dipole angewinkelt. Die Verwendung abgewinkelter Dipole führt aber bekanntlich nicht zu optimalen Strahlungsleistungs­ verhältnissen. Nach einer bekannten Betrachtungsweise, aus der sich manche Antenneneigenschaften besonders klar ergeben, kann nämlich der Dipol aus der am Ende offenen Doppelleitung hergeleitet werden. Je mehr die Leitungs­ schenkel auseinandergebogen werden, d.h. je größer der Leiterabstand am Leitungsende gegenüber der Wellenlänge wird, umso mehr strahlt das derart entstehende Gebilde, das schließlich zum gestreckten Dipol gewissermaßen ent­ artet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hinsichtlich der Aus­ bildung des Dipol-Speisesystems ohne zusätzliche oder abgewinkelte Dipole auskommende Maßnahme zur Bildung einer die kreuzpolarisierte Strahlung kompensierenden Strahlung anzugeben, durch welche das scharfe Differenz­ diagramm-Minimum auch bei Entstehen von Fehlpolarisa­ tionen erhalten bleibt.

Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Richtantennen­ anordnung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die mit zwei geraden, einen Winkel von 180° einschließenden Schenkeln versehenen Dipole jeweils als Ganzes gegenüber der an sich zur Erzeugung der bestimmten gewünschten Polarisation erforderlichen Stellung um einen Winkel β verdreht vor dem gekrümmten Reflektor angeordnet sind, und daß der Winkel β so bemessen ist, daß die von den Dipolen ausgehenden bzw. empfangenen, gegenüber der bestimmten gewünschten Polarisation kreuzpolarisierten elektromagnetischen Wellen mit einem solchen Betrag und in solcher Phasenlage ebenfalls über die räumliche Ausdehnung des gekrümmten Reflektors gestrahlt sind und damit eine solche Polarisation aufweisen daß durch Reflexion der Primärstrahlung am gekrümmten Reflektor die Kreuzpolarisationskomponenten im wesentlichen kompensiert werden. Aufgrund der Verdrehung der Dipole jeweils als Ganzes um einen Winkel β wird eine Auffüllung des Peilminimums im Differenzdiagramm verhindert. Mit einer derartigen Verdrehung der idealen, d.h. in sich nicht abgewinkelten Dipolstrahler und dem Nichterfordernis von eigenen Zusatzstrahlern läßt sich auch bei einer fächerartigen Richtcharakteristik praktisch im ganzen Er­ hebungswinkelbereich eine weitgehende Kompensation der Kreuzpolarisationskomponente in Peilrichtung erzielen.

Ein zweckmäßiges Strahlersystem nach der Erfindung wird durch eine aus vier Dipolen bestehende Gruppe ge­ bildet. Die Dipole sind dabei in Form eines sogenannten Andreaskreuzes angeordnet, dessen eine Symmetrieachse mit der bestimmten gewünschten Polarisationsrichtung überein­ stimmt. Die unterschiedliche Orientierung der oberen und unteren Dipole ergibt in diesem Fall im vertikalen Primärdiagramm einen Phasenunterschied der Kreuzpolari­ sationskomponenten, der sich günstig auf das gesamte Vertikaldiagramm der Richtantenne auswirkt.

In vorteilhafter Weise wächst der Querschnitt der Schenkel der Dipole kegelförmig von innen, d.h. ausgehend von der Speiseseite, nach außen an. Es ergeben sich dann günstigere Anpassungsmeßwerte (Spannungsstehwellenver­ hältnis VSWR = voltage standing wave ratio).

Zur Abstrahlung des Summendiagramms ist in zweckmäßiger Weise dasselbe Dipol-Strahlersystem vorgesehen.

Das Strahlersystem der Richtantennenanordnung nach der Erfindung läßt sich in vorteilhafter Weise als Speisesystem einer vorzugsweise mit vertikaler Polarisation arbeitenden Abfrageantenne eines Sekundär­ radar- oder eines IFF-Systems verwenden. Der gekrümmte Reflektor weist in diesem Fall eine längliche Form auf und ist nicht rotationssymmetrisch ausgebildet. Das Strahlersystem für eine Richtantennenanordnung nach der Erfindung läßt sich dann als Sekundärradar- oder IFF-Speisesystem verwenden, das gemeinsam mit einem Primärradar-Speisesystem den gekrümmten Reflektor anstrahlt.

Ausgehend vom Stand der Technik wird die Erfindung im folgenden anhand von zwölf Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 und 2 in Seiten- bzw. Vorderansicht eine bekannte Dipol-Strahlergruppe,

Fig. 3 in Schrägansicht die bekannte Dipol-Strah­ lergruppe mit Antennenreflektor,

Fig. 4 in einer schematischen Ansicht ein Flugzeug mit Transponderantenne,

Fig. 5 und 6 in Vorder- bzw. Seitenansicht einen einzelnen, für eine Kompensation von Kreuzpolarisations­ komponenten ausgelegten Dipolstrahler der Strahler­ gruppe einer bekannten Richtantennenanordnung,

Fig. 7 und 8 in Seiten- bzw. Vorderansicht ein vorteil­ haftes Ausführungsbeispiel eines Dipol-Strahler­ systems für eine Richtantennenanordnung nach der Erfindung,

Fig. 9 und 10 eine prinzipielle Darstellung der gesamten E-Feldvektoren bzw. der horizontalen E-Feldvektorkompo­ nenten bei Differenzanregung des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Strahlersystems,

Fig. 11 und 12 in Vorder- bzw. Seitenansicht einen mit kegelförmigen Schenkeln versehenen Dipol eines Strahlersystems für die Antenne nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen in Seiten- bzw. Vorderansicht eine Rundsuch-Radarantennenanordnung, die aus einem ge­ krümmten Hauptreflektorspiegel 1, einem Hornstrahler 2 für Primärradar, dessen Phasenzentrum sich im Brennpunkt 3 des doppelt gekrümmten Reflektorspiegels 1 befindet, sowie mit einer Dipol-Strahlergruppe 4 für das Sekundärradar, deren Phasenzentrum sich ebenfalls im Brennpunkt 3 befindet. Hinter der Dipol-Strahler­ gruppe 4 ist eine Reflektorplatte 5 angeordnet. Die Platte 5 wird zugleich als Befestigung der Dipol- Strahlergruppe 4 verwendet. Die dargestellte Rundsuch- Radarantenne ermöglicht somit neben dem Primärradar- Richtdiagramm eine Sekundärradar-Richtcharakteristik.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung ist aus der DE-PS 21 39 216 bekannt. Diese Anordnung ist in Schrägansicht noch einmal in Fig. 3 dargestellt. Für Peil­ zwecke strahlt die Dipol-Strahlergruppe 4 mit den Dipolen 6, 7, 8 und 9 außer einem Summendiagramm auch ein Differenzdiagramm ab. Der E-Feldvektor der abgestrahlten elektromagnetischen Welle wird auf dem gekrümmten Antennenreflektor 1 gedreht, wie bereits einleitend ausgeführt wurde. Dadurch wird mit steigendem Elevationswinkel das Minimum des Azimut-Differenzdia­ gramms immer stärker aufgefüllt und die Peilung nach dem Summen-Differenzverfahren beeinträchtigt. Dieses Verfahren ist im Buch von P.Honold: "Sekundär-Radar", 1971, Siemens AG, Seiten 47 und 48 beschrieben.

Ein noch stärkeres Auffüllen des Peilminimums entsteht dann, wenn man ein Funkfeld betrachtet, bei dem die Antenne nach den Fig. 1 bis 3 zum Beispiel als Sendeantenne arbeitet und die Polarisation einer im Fernfeld stehenden Empfangsantenne von derjenigen der Sendeantenne abweichend ist. Eine Peilung nach dem Summen-Differenzverfahren ist dann fast unmöglich. Ein Beispiel für eine derartige Situation wird im folgenden erläutert. Die Abfrageantenne eines landgestützten IFF-Systems ist vertikal polarisiert. Die Transponder­ antenne an einem Flugzeug steht senkrecht zu den Tragflächen und kann bei Horizontalflug das Abfragesignal ohne Komplikation empfangen bzw. ohne Polarisations­ verlust das Antwortsignal über diese Antenne absetzen. Fliegt das Flugzeug 10 jedoch, wie in Fig.4 in schematischer Ansicht dargestellt ist, um einen Winkel α aus der Horizontallage 11 gedreht, dann wird von der Transponderantenne 12 eine linear polarisierte elektromagnetische Welle, die ebenfalls um diesen Winkel α von der vertikal polarisierten Welle verschieden ist, abgestrahlt bzw. empfangen. Es ist deshalb notwendig, daß die Kennung nicht nur für die Vertikalpolarisation, sondern auch für eine davon abweichende Linearpolarisation funktioniert.

Um für die Vertikalpolarisation die Kreuzpolarisations­ komponente durch den gekrümmten Antennenreflektor zu kompensieren, ist es nunmehr aus der DE-PS 24 11 158 bekannt, die ursprünglich geraden Schenkel der Dipole einer Dipol-Strahlergruppe anzuwinkeln. Die Fig. 5 und 6 zeigen in einer Vorder-bzw. Seitenansicht einen einzelnen Dipolstrahler einer solchen Strahler­ gruppe. Dieser Dipolstrahler weist zwei Schenkel 13 und 14 auf, von denen der Schenkel 14 angewinkelt ist, so daß die beiden Schenkel 13 und 14 einen weniger als 180° betragenden Winkel einschließen. Durch diese Anwinkelung lassen sich Betrag und Phase der Dipolstrahlung so optimieren, daß praktisch im gesamten Erhebungswinkel­ bereich die Kreuzpolarisationskomponente der vom gekrümmten Reflektor kommenden Strahlung kompensiert wird. Je nach Krümmung des in den Fig. 5 und 6 nicht eigens dargestellten gekrümmten Reflektors ist es dabei zweckmäßig, den unteren oder den oberen oder beide Schenkel 13 und 14 des Dipols in eine bestimmte Richtung zu neigen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen in einer Seiten- bzw. Vorder­ ansicht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Dipol-Strahlersystems für eine Richtantennenanordnung nach der Erfindung. Im Gegensatz zum Strahlersystem nach der DE-PS 24 11 158 sind hierbei die Dipolschenkel nicht angewinkelt, sondern jeder der vier Dipole 15, 16, 17 und 18 ist als Ganzes aus seiner ursprünglichen vertikalen Stellung um einen Winkel β gedreht. Alle Dipole 15 bis 18 der als Beispiel angeführten Vierer-Dipolgruppe 19 haben jeweils zwei gerade, einen Winkel von 180° einschließende Schenkel. Bezüglich der Reflektorplatte 5, des gekrümmten Hauptreflektors 1 und des Primärradar-Hornstrahlers 2 stimmt die in den Fig. 7 und 8 dargestellte Antennenanordnung mit derjenigen nach den Fig. 1 bis 3 überein, so daß auf Einzelheiten in diesem Zusammenhang an dieser Stelle nicht mehr eingegangen wird.

Als vorteilhafte Stellung der Dipole 15 bis 18 hat sich die Anordnung in Form eines Andreaskreuzes erwiesen. In diesem Zusammenhang wird auch auf die Fig. 9 und 10 verwiesen, welche eine prinzipielle Darstellung der gesamten elektrischen Feldvektoren-E bzw. der horizontalen elektrischen Feldvektorkomponenten E _H bei Differenzanregung des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Strahlersystems zeigen. Die erzeugten horizontalen Feldvektoren E _H kompensieren bei der Differenzanregung die auf dem gekrümmten Antennenreflektor entstehenden Kreuzpolarisationskomponenten. Die unterschiedliche Orientierung der oberen und der unteren Dipole 15 und 17 bzw. 16 und 18 ergibt im vertikalen Primärdiagramm einen Phasenunterschied der Kreuzpolarisationskomponenten, der sich günstig auf das gesamte Vertikaldiagramm der Antenne auswirkt.

In den Fig. 11 und 12 ist in einer Vorder- bzw. Seitenansicht ein mit kegelförmigen Schenkeln 20 und 21 versehener Dipol für ein Strahlersystem einer Antenne nach der Erfindung dargestellt. Geeignet sind mit derartig kegelförmigen Schenkeln versehene Dipole beispielsweise für eine Vierergruppe, wie sie in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Dipole mit hinsichtlich ihres Querschnitts kegelförmig von innen nach außen an­ wachsenden Schenkeln 20 und 21 ergeben günstigere Anpassungswerte, d.h. ein besseres Spannungsstehwellen­ verhältnis als eine Ausführung der Dipolschenkel mit rein zylindrischem Querschnittsverlauf.

Claims (9)

1. Mit einer bestimmten gewünschten Linearpolarisation arbeitende Richtantennenanordnung zur Erzeugung eines ein Peilminimum aufweisenden Differenzdiagramms mit einem aus Dipolen bestehenden Strahlersystem, das einen ge­ krümmten Reflektor in einer räumlichen Ausdehnung an­ strahlt, dadurch gekennzeichnet, daß die mit zwei geraden, einen Winkel von 180° einschließenden Schenkeln versehenen Dipole (15 bis 18) jeweils als Ganzes gegenüber der an sich zur Erzeugung der bestimmten gewünschten Polarisation erforderlichen Stellung um einen Winkel β verdreht vor dem gekrümmten Reflektor (1) angeordnet sind, und daß der Winkel β so bemessen ist, daß die von den Dipolen ausgehenden bzw. empfangenen, gegenüber der bestimmten gewünschten Polarisation kreuzpolarisierten elektromagnetischen Wellen mit einem solchen Betrag und in solcher Phasenlage ebenfalls über die räumliche Ausdehnung des gekrümmten Reflektors gestrahlt sind und damit eine solche Polarisation aufweisen, daß durch Reflexion der Primärstrahlung am gekrümmten Reflektor die Kreuz­ polarisationskomponenten im wesentlichen kompensiert werden.

2. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlersystem (19) eine aus vier Dipolen (15 bis 18) bestehende Gruppe vorgesehen ist, und daß die Dipole in Form eines sogenannten Andreaskreuzes angeordnet sind, dessen eine Symmetrieachse mit der bestimmten gewünschten Polarisationsrichtung übereinstimmt.

3. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Schenkel (20, 21) der Dipole kegelförmig von innen, d.h. ausgehend von der Speiseseite, nach außen anwächst.

4. Richtantennenanordnung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem gekrümmten Reflektor (1) abgewandten Seite des Dipol- Strahlersystems (19) in geeignetem Abstand eine ebene Reflektorplatte (5) angeordnet ist.

5. Richtantennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipole (15 bis 18) mechanisch auf der Reflektorplatte (5) befestigt sind.

6. Richtantennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstrahlung des Summendiagramms dasselbe Dipol-Strahlersystem (19) vorgesehen ist.

7. Richtantennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung des Strahlersystems (19) als Speise­ system einer vorzugsweise mit vertikaler Polarisation ar­ beitenden Abfrageantenne eines Sekundärradar- oder IFF­ (Identification Friend or Foe) Systems.

8. Richtantennenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ge­ krümmte Reflektor (1) eine längliche Form aufweist und nicht rotationssymetrisch ausgebildet ist.

9. Richtantennenanordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, gekennzeichnet durch die Ver­ wendung des Strahlersystems (19) als Sekundärradar­ oder IFF-Speisesystem, das gemeinsam mit einem Primär­ radar-Speisesystem (2) den gekrümmten Reflektor anstrahlt.