DE3638879C2 - Mikrowellenradarantennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenradarantennen­ anordnung für einen Sendeempfänger in einer Lenkwaffe. Insbe­ sondere bezieht sich die Erfindung auf aktive Millimeterwel­ len-Zielflug-Systeme für kostengünstige Lenkwaffen zur Panzer­ bekämpfung, wobei die Lenkwaffe nach einem TGSM-System auf das Ziel gelenkt wird und kleine Durchmesser besitzt, die im ty­ pischen Fall bei 100 mm liegen. Die vorliegende Erfindung ist auf das Problem der Erkennung stationärer Ziele konzentriert.

Herkömmliche aktive TGSM-Millimeterwellen-Zielflugköpfe be­ nutzen mechanisch abtastende Einstrahl-Parabolantennen. Der Strahl wird gewöhnlich während der Zielsuchphase einer Raster­ abtastung unterworfen und für den Zielflug einer konischen Abtastung ausgesetzt. Monopulssysteme werden wegen der hohen Kosten von Komparator und bezüglich der Phase abgeglichenen Empfängern möglichst vermieden. Eine Rasterabtastung wird durch Bewegung entweder des Parabolspiegels selbst oder eines Unter­ reflektors erreicht, beispielsweise durch eine Twist-Cassegrain- Antenne. In gewissen Fällen wird die konische Abtastung dadurch erreicht, daß die Antennen-Zuführung gestört wird, während in anderen Fällen sowohl die Rasterabtastung als auch die koni­ sche Abtastung durch den gleichen Mechanismus bewirkt werden. Es ergeben sich gewisse Vorteile bei der Benutzung von Mikro­ wellen-Radar-Technologie, um eine Suchvorrichtung mit festem Kopf zu schaffen, nämlich: Eine verbesserte Boden-Abtastung, verbunden mit der Monopuls-Technik kann eine verbesserte Ziel­ erkennung in einer gestörten Umgebung erreichen; es kann eine erhöhte Integrationszeit während der Ziel-Akquisitionsphase erreicht werden; es gibt keine beweglichen Teile; die Kosten, Volumen und Masse sind geringer.

Die Literaturstelle TONG, P. P. et al. Tracking Antenna Arrays for Near-Millimeter Waves. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-31, No. 3, May 1983, Seiten 512 bis 515 beschreibt ein Nachführ-Antennenfeld für Millimeterwellen. Dabei liefert ein zweidimensionales monolithisches Feld die Höhe und den Azimut von Punktzielen. Das Antennenfeld besteht aus Zeilen und Reihen von Antennen und Wismut-Bolometer-Detek­ toren auf einem geschmolzenen Quarzsubstrat. Es wird Energie auf dem Antennfeld über eine Linse fokussiert, die auf der Rückseite des Substrats angeordnet ist. Die Nachführung kann durch ein schnelles zweistufiges Verfahren automatisiert wer­ den, wobei die Quelle in der zunächstliegenden Reihe und Zeile angeordnet wird und dann präzise durch Abtastung lokalisiert wird. Durch eine Signalverarbeitung soll die Anordnung in der Lage sein, eine Nachführung auf Vielfachquellen durchzuführen.

Die Literaturstelle RUTLEDGE, D. B. et al. Imaging Arrays. In: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-30, No. 4, July 1982, Seiten 535 bis 540 beschreibt ein Abbil­ dungs-Antennenfeld mit Strahlungsempfänger im Infrarotbereich bzw. im Millimeterbereich. Dabei ist ein planares Antennen­ feld mit integrierten Detektoren vorgesehen, und es ist ein optisches System entwickelt worden, wobei eine Linse auf dem das Antennenfeld tragenden Substrat angeordnet ist. Die Ab­ bildung erfolgt durch das Substrat hindurch. Die Substrat­ linse hat nur eine einzige brechende Oberfläche, wodurch es möglich wird, ein virtuell aplanates System zu schaffen, wel­ ches geringe sphärische Abberationen oder Komafehler auf­ weist. Das Antennenfeld ist charakterisiert durch eine opti­ sche Übertragungsfunktion, die leicht meßbar ist.

Die US 4 122 449 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit unter Ausnutzung des Dopplereffektes, wobei ein Mikrowellen-Oszillator Mikro­ wellen in einen Wellenleiter richtet, und wobei eine Misch­ diode und eine Streifenleitung in Y-Form vorgesehen sind, deren obere Schenkel innerhalb des Wellenleiters liegen, um die Mikrowellen zu empfangen, und zwar sowohl die abge­ strahlten Mikrowellen als auch die reflektierten Wellen.

Die DE 32 08 812 A1 beschreibt eine Antenne aus einem Metall­ streifen auf einem einen hohen spezifischen Widerstand auf­ weisenden Halbleitersubstrat mit Mischdioden, die in das Sub­ stratmaterial integriert sind und aneinandergrenzende Anten­ nenleiter miteinander verbinden. Die Antenne kann ein ein­ facher Dipol sein, oder sie kann aus einem Paar Kreuzdipolen bestehen, wobei der eine Antennenleiter über seine Länge geteilt zur Extraktion eines Mischsignals ausgebildet ist. Das Substratmaterial kann eine solche Form aufweisen, daß die Strahlung auf sämtliche Antennen konvergiert.

In der nicht zum Stande der Technik gehörenden GB 2 254 191 ist eine integrierte Antennenmischschaltung für Mikrowellen und Millimeterwellen beschrieben, wobei jede integrierte Vor­ richtung aus zwei gekreuzten Dipolen besteht, die auf einem dielektrischen Träger montiert sind, wobei ein Mischdioden­ ring zwischen die Glieder des Dipols geschaltet ist. Die empfangene Hochfrequenz wird mit dem Signal eines Überlagerungs­ oszillators strahlenmäßig eingekoppelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufge­ baute Mikrowellenradarantennenanordnung zu schaffen, die störungsfrei arbeitet, raumsparend in einer Lenkwaffe unter­ gebracht werden kann und gleichzeitig als Sende- und Empfangs­ antennenanordnung ausgebildet ist.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die sowohl für die Aussendung als auch für den Empfang vorge­ sehene Mikrowellenradarantennenanordnung kann raumsparend im Kopf einer Lenkwaffe angeordnet werden, wobei die vom Oszilla­ tor abgestrahlten Signale von einem Zweig der Antennenanord­ nung an der Stelle der Abstrahlung aufgenommen wird, während die vom Ziel reflektierten Echosignale vom anderen Zweig empfangen werden, wobei eine Differenzierung durch entspre­ chende Polarisierung erfolgt. Die dielektrische Linse fokus­ siert die Echostrahlung auf einen gekreuzten Dipol (oder mehrere benachbarte Dipole), wodurch eindeutig erkennbar wird, ob der jeweils getroffene gekreuzte Dipol in der Ziellinie liegt oder von dieser abweicht. Aus der Abweichung des jeweils getroffenen gekreuzten Dipols von der Ziellinie können Signale abgeleitet werden, die eine entsprechende Richtungsänderung der Lenkwaffe bewirken, bis die fokussierte Echostrahlung auf den in der Ziellinie liegenden gekreuzten Dipol auftrifft.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrowellenradarantennenanordnung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des aus Mikrowellenradarantennen gemäß Fig. 1 bestehenden Antennenfeldes;

Fig. 3A eine schematische Darstellung des das Antennenfeld tragenden dielektrischen Trägers mit dielektrischer Linse und in Richtung zum Überlagerungsoszil­ lator verjüngt ausgebildetem Anpaßdielektrikum;

Fig. 3B eine der Fig. 3A entsprechende Darstellung mit einem Anpaßdielektrikum in Form einer dem dielektrischen Träger des Antennenfeldes anliegenden Viertel­ wellenlängenschicht;

Fig. 4 eine Einzelheit des Antennen­ feldes gemäß den Fig. 3A bzw. 3B;

Fig. 5A eine axiale Ansicht einer inte­ grierten Antennen-Misch-Einrichtung mit vorgeschaltetem Zirkularpolarisator;

Fig. 5B eine Seitenansicht der Antennen- Misch-Einrichtung gemäß Fig. 5A;

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Arbeits­ weise eines Lenkwaffen-Leitsystems veranschaulicht;

Fig. 7 eine gemäß Fig. 1 abgewandelte Mikrowellenradarantennenanordnung.

Das Antennenfeld gemäß Fig. 2 weist zwei Reihen von je n- Antennenmischkreisen auf, wobei n eine gewählte Zahl, z. B. 6, ist. Jede der Antennen-Misch-Schaltungen weist zwei gekreuzte Dipole, nämlich einen vertikalen Dipol 5 und einen horizon­ talen Dipol 6 auf. Die beiden Hälften 7 und 8 des vertikalen Dipols 5 und die beiden Hälften 9, 10 des horizontalen Dipols sind durch einen Ring von vier Mischdioden 11 miteinander verbunden. Die untere Hälfte 8 des vertikalen Dipols 5 ist über einen Leiter 12 an ein geerdetes metallisiertes Muster 13 angeschlossen, das allen Antenennen-Misch-Kreisen gemeinsam ist. Die obere Hälfte 7 des vertikalen Dipols 5 ist über eine Leitung 14 an einen Zwischenfrequenzsignal-Ausgang 15 ange­ schlossen, von welchem das Zwischenfrequenzsignal abgenommen und einem nicht dargestellten Zwischenfrequenzverstärker zu­ geführt wird.

Das Antennenfeld gemäß Fig. 2 ist auf der Rückseite eines dielektrischen Trägers 2 angeordnet. Auf der dem Antennenfeld abgewandten Seite des dielektrischen Trägers 2 ist eine di­ elektrische Linse 1 angeordnet. Die Linse 1 besteht aus einem Dielektrikum mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten von ε_r ≃ 10. Ein in der Zeichnung nicht dargestellter Überlagerungsoszil­ lator richtet seine Ausgangssignale über einen Wellenleiter 20 auf ein dem dielektrischen Träger 2 vorgeschaltetes Anpaßdi­ elektrikum 22 (Fig. 3A) bzw. 24 (Fig. 3B). Das Anpaßdielektri­ kum 22 bzw. 24 besitzt die gleiche Dielektrizitätskonstante wie die dielektrische Linse 1.

Gemäß Fig. 3A ist das Anpaßdielektrikum 22, ausgehend vom di­ elektrischen Träger 2 in Richtung zum Überlagerungsoszilla­ tor, verjüngt ausgebildet. Im Bereich des horizontalen Dipols 6, der für die Empfangssignale wirksam ist, weist das Anpaß­ dielektrikum 22 einen Schlitz 23 auf.

Gemäß Fig. 3B besteht das Anpaßdielektrikum 24 aus einer dem Träger 2 anliegenden Viertelwellenlängenschicht 24, die in dem Wellenleiter 20 angeordnet ist und die gleiche Dielektrizi­ tätskonstante wie die dielektrische Linse aufweist. Im Be­ reich des horizontalen Dipols 6, der für die Empfangssignale wirksam ist, weist das Anpaßdielektrikum 24 einen Schlitz 25 auf.

Der Ausgang des Überlagerungsoszillators ist linear polari­ siert und vom vertikalen Dipol 5 empfangen. Die durch die Linse 1 abgestrahlten Signale werden vom Ziel reflektiert und als Echosignale orthogonal polarisiert von dem horizontalen Dipol 6 empfangen. Im Antennenfeld werden die Echosignale mit dem Ausgangssignal des Überlagerungsoszillators zu einer Zwischenfrequenz gemischt. Die von den einzelnen Mischstufen gelieferten Zwischenfrequenzsignale I.F.1, I.F.2, I.F.3 ... I.F.n werden durch Vergleich ausgewertet und der Steuerstufe der Lenkwaffe zugeführt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die äußeren Enden der beiden Hälften 7, 8 des vertikalen Dipols 6 durch eine Verbindungs­ leitung 16 verbunden, die einen Rückpfad für die unidirek­ tionale Diodenvorspannung schafft.

Fig. 4 zeigt, wie eine 2 × 2 Anordnung in der Praxis reali­ siert werden könnte, wobei das Verfahren der TX/LO-Injektion benutzt wird. In diesem Fall sind die LO-Dipole verlängert und sie werden zu verkürzten Pfosten über der Wellenführung, wodurch die LO-Kopplung durch die Breite der Pfosten ge­ steuert werden kann. Die Signaldipole, die horizontal liegen, bewirken keine Kopplung mit dem LO E-Feld, welches 20 bis 30 dB LO Störverminderung bringen sollte. Das Hornmuß eine Öffnung haben, die eine Strahlbreite ergibt, welche geeignet ist zur Speisung der Antennenlinse und diese Öffnung beträgt bei 35 GHz etwa 6 mm × 6 mm. Die Anordnung kann in der Horizon­ talebene für 2 × n Anordnungen verlängert werden, vorausge­ setzt, daß das Zuführungshorn in gleicher Weise verbreitert wird. Dies hat die Wirkung einer Erhöhung der Verstärkung des Hornes in der Horizontalebene, die, wenn man das abge­ strahlte Signal betrachtet, unter der Bestrahlung der Linsen­ öffnung steht und so die horizontale Strahlbreite im Fern­ feld ausweitet. Dies jedoch ist die asymmetrische Strahlform, die erforderlich ist, um einen Flutlicht-Sender für eine lineare Anordnung zu schaffen. Um eine weitere Steuerung der Senderstrahlgestalt zu ermöglichen, kann eine polari­ sierte Blendenöffnung benutzt werden.

Fig. 5A und 5B zeigen ein Beispiel, wie eine 2 × 6 Anord­ nung zusammen mit einem breiteren Zuführungshorn 26 und einer, vertikal polarisierten Apertur 27 ausgebildet werden könnte, um ein 5 : 1-Aspektverhältnis für den Sendestrahl zu liefern. Diese Apertur 27 ist einem kreisförmigen Zirkularpolari­ sator 28 zugeordnet, der vor der dielektrischen Linse 1 ange­ ordnet ist.

Das vorgeschlagene System kann ein 2 × 6 Antennenfeld auf­ weisen, das über den Durchmesser der Antennenlinse gemäß Fig. 6 angeordnet ist, wodurch sich eine Strahlanordnung im Fernfeld ergibt, die das Sichtfeld in einer Ebene bedeckt. Eine Sichtlinieninformation wird durch die Sucheinrichtung in der die Rollachse und die Querachse enthaltenden Ebene relativ zur Lenkwaffenachse geliefert, wobei ein Kreisel ein Bezugssignal liefert. Die Rollinformation wird durch Benutzung von 6 Paaren von Strahlen geliefert, um 6 unterschiedliche Muster zu erzeugen, die summiert ein Differenzmuster über die Länge des Feldes liefern mit Vorzeichenänderung der Achse. Unter Benutzung dieser Information kann die Lenkwaffe schnell um ihre Längsachse gedreht werden, wobei aerodynamische Steu­ erflächen benutzt werden können, die unterschiedlich ange­ stellt werden. Da eine schnelle Rollsteuerung erreicht wer­ den kann, kann die Suchvorrichtung in dem herkömmlichen Null- Suchbetrieb in der Rollebene benutzt werden. Die Längs­ neigungsinformation längs der Linie der Reihenanordnung wird dadurch erzeugt, daß zunächst 6 Summenmuster erzeugt werden und daß dann Paare dieser Muster 5 Differenzmuster über die Länge der Reihenanordnung erzeugen. Nachführalgorithmen müs­ sen dann benutzt werden, um die Lage des Ziels längs der Reihenanordnung vorherzusagen und demgemäß auch den Sicht­ winkel nach vorn. Der Leitcomputer muß dann diese Information benutzen, um eine Neigungssteuerung unter Benutzung von Steuerflächen zu liefern, die orthogonal zur Ebene dieser Anordnung liegen. Dabei werden die aerodynamischen Steuer­ flächen zusammen angetrieben. Diese Steuerung ist langsam und nicht in der Lage, die Drehung des Flugkörpers aufzu­ nehmen, so daß ein Nachführgesetz erforderlich ist, das linear über das gesamte Sichtfeld ist.

Die Antennenmischkreise können, wie aus Fig. 7 ersichtlich, modifiziert sein. Hier ist jede Hälfte des vertikalen Dipols 70 vertikal in zwei Abschnitte gespalten. Die oberen zwei Abschnitte 71 und 72 sind über Kondensatoren 73 und 74 an den Zwischenfrequenzausgang 75 angeschlossen, während die unteren Abschnitte 76 und 77 über entsprechende Kondensato­ ren 78 und 79 geerdet sind. Die negative Seite einer äußeren Diodenvorspannungsquelle (nicht dargestellt) wird dann über Widerstände 80 bzw. 81 mit den vertikalen Dipolabschnitten 71 und 76 verbunden, während die positive Seite der Spannungs­ quelle über Widerstände 82 und 83 mit den Abschnitten 72 und 77 verbunden ist. Dabei ist der Rückführungsdraht 16 gemäß Fig. 1 in Fig. 7 durch einen Widerstand 84 ersetzt, der zwi­ schen die inneren Enden der beiden Hälften des horizontalen Dipols 85 geschaltet ist. Die äußere Vorspannschaltung gemäß Fig. 7 ist etwas komplexer als die Vorspannung der Fig. 1, aber es ist nur eine geringe Leistung des Überlagerungsoszilla­ tors erforderlich, der mit der Schaltung gekoppelt ist und hierdurch wird es einfacher, den Vorspannstrom exakt zu steuern, der durch die Dioden fließt, um eine optimale Arbeitsweise zu gewährleisten.

Die Gesamtanordnung muß so ausgebildet sein, daß sie der abgewandelten Schaltung angepaßt ist. Beispielsweise können die Kondensatoren 73, 74, 78 und 79 zu groß sein, um in den Raum zwischen dem Erdnachführungsmuster und den Dipolen ein­ zupassen. Ein Beispiel einer geeigneten Auslegung besteht darin, den Mittelabschnitt des metallisierten Musters 13 in Fig. 2 wegzulassen und die Zwischenfrequenzverbindung von jeder Schaltung seitlich nach außen zu führen und sie mit den Zwischenfrequenzverstärkern zu verbinden, die auf dem Hauptteil des metallisierten Musters 13 montiert sind, wobei die Kondensatoren 73, 74, 78 und 79 als Teile der jeweiligen Zwischenfrequenzverstärker vorgesehen sind.

Bezugszeichenliste

1

dielektrische Linse

2

dielektrischer Träger

5

vertikaler Dipol

6

horizontaler Dipol

7

,

8

Hälften vertik. Dipol

5

9

,

10

Hälften horiz. Dipol

6

11

Mischdioden

12

Leiter

13

metallisiertes Muster

14

Leitung

15

Zwischenfrequenz-Signalausgang

16

Verbindungsleitung

20

Wellenleiter

22

Anpaßdielektrikum

23

Schlitz

24

Anpaßdielektrikum

25

Schlitz

26

Zuführungshorn

27

vertikal polarisierte Apertur

28

Zirkularpolarisator

70

vertik. Dipol

71

,

72

obere Abschritte

73

,

74

Kondensatoren

75

Zwischenfrequenzausgang

76

,

77

untere Abschnitte

78

,

79

Kondensatoren

80

,

81

Widerstände

82

,

83

Widerstände

84

Widerstand

85

horizont. Dipol

Claims (6)

1. Mikrowellenradarantennenanordnung für einen Sende­ empfänger in einer Lenkwaffe mit den folgenden Merkmalen:

• 1. auf einem dielektrischen Träger (2) ist ein Antennenfeld orthogonal gekreuzter Dipole (5, 6) angeordnet;
• 2. zwischen den Zweigen der Dipole (5, 6) sind Mischdioden (11) angeschlossen;
• 3. auf dem dielektrischen Träger (2) ist eine dielektrische Linse (1) angeordnet;
• 4. auf der der dielektrischen Linse (1) gegenüberliegenden Seite des dielektrischen Trägers (2) ist ein Überlagerungs­ oszillator angeordnet, dessen Strahlung sowohl auf die Dipole (5, 6) als auch durch die dielektrische Linse (1) auf das Zielgebiet abgestrahlt wird;
• 5. zwischen dem Überlagerungsoszillator und dem dielektri­ schen Träger (2) ist ein Anpaßdielektrikum (22, 24) vor­ gesehen;
• 6. die vom Ziel reflektierten Echosignale werden durch die dieleketrische Linse (1) auf das Antennenfeld fokussiert und mit einer durch Dopplerwirkung verschobenen Frequenz den jeweiligen Mischdioden (11) der Dipole (5, 6) des Antennenfeldes zugeführt, wo die Echosignale mit dem Überlagerungsoszillatorsignal zu einer Zwischenfrequenz gemischt werden;
• 7. die von den einzelnen Mischstufen gelieferten Zwischen­ frequenzsignale werden durch Vergleich ausgewertet und der Steuerstufe der Lenkwaffe zugeführt.

2. Mikrowellenradarantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Überlagerungs­ oszillators über einen Wellenleiter (20) auf das Anpaßdielek­ trikum (22) gerichtet ist, wobei sich das Anpaßdielektrikum (22) ausgehend vom dielektrischen Träger (2) in Richtung zum Überlagerungsoszillator verjüngt und das Anpaßdielektrikum (22) die gleiche Dielektrizitätskonstante wie die dielektrische Linse (1) aufweist (Fig. 3A).

3. Mikrowellenradarantennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßdielektrikum (22) einen Schlitz (23) im Bereich des horizontalen Dipols (6) aufweist, der für die Empfangssignale wirksam ist (Fig. 3A).

4. Mikrowellenradarantennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Überlagerungs­ oszillators über einen Wellenleiter (20) auf das Anpaßdielek­ trikum (24) gerichtet ist und daß das Anpaßdielektrikum (24) aus einer dem Träger (2) anliegenden Viertelwellenlängen-Schicht besteht, die in dem Wellenleiter (20) angeordnet ist und die gleiche Dielektrizitätskonstante wie die dielektrische Linse (1) aufweist (Fig. 3B).

5. Mikrowellenradarantennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßdielektrikum (24) einen Schlitz (25) im Bereich des horizontalen Dipols (6) aufweist, der für die Empfangssignale wirksam ist (Fig. 3B).

6. Mikrowellenradarantennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der dielektrischen Linse (1) ein kreisförmiger Zirkularpolarisator (28) angeordnet ist.