DE3728110C2 - Gruppenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppenantenne mit einer Vielzahl von Strahlerelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Antennen sind insbesondere in Ausführungen als elektronisch steuerbare Gruppenan­ tennen bekannt.

In den gebräuchlichen technischen Ausführungen weisen Gruppenantennen ein regelmäßiges Raster mit äquidistanter Anordnung der Strahlerelemente in Zeilen und Spalten auf. Der Elementabstand liegt dabei üblicherweise bei der Hälfte der Freiraumwellenlänge der Betriebsfrequenz der Antenne. Damit wird einerseits auch bei elektronischer Diagrammschwenkung über einen weiten Schwenkbereich (z. B. bis 60°) eine eindeutige Keulenbildung ohne das Auftreten von hohen Nebenkeulen (grating lobes) garantiert, anderer­ seits bleibt der Aufwand für die individuelle i. a. ver­ änderbare Einstellung von Phase- und/oder Amplitude der Strahlerelemente noch vertretbar.

Bei Einfall einer ebenen elektromagnetischen Welle, beispielsweise von einer fremden Radaranlage, zeigen solche Antennen aufgrund der regelmäßigen Elementanordnung die auch allgemein von periodischen Gitterstrukturen (z. B. Kristalle) bekannten Effekte der Beugung und Reflexion. Bei der Rückstreuung auftreffender ebener Wellen treten dadurch neben der reflektierten Welle bei senkrechtem Einfall bereits im Arbeitsfrequenzbereich der Antenne ausgeprägte Rückstreu-Maxima nahe der Ebene der Antennen­ apertur auf. Bei höheren Frequenzen wandern diese Maxima in Richtung der Antennennormalen und weitere Maxima kommen hinzu. Die Richtungen dieser Rückstreu-Maxima sind abhä­ ngig von Winkel und Frequenz der auftreffenden Welle und dem Abstand (Rastermaß) der Strahlerelemente. Für den Fall eines einfallenden Radarsignals bedeutet dies, daß auch bei schrägen Einfall auf die Antennenebene u. U. über ein derartiges Rückstreu-Maximum ein hoher Anteil des auf­ treffenden Signals in Richtung der Radaranlage rückge­ streut wird und dort zu einer Zielmeldung führt. Die Gruppenantenne bzw. ein damit ausgerüstet es Klugzeug oder dgl. kann damit auch bei sonst geringem Rückstreuquer­ schnitt von einem fremden Radar über diese Rückstreu-Maxima entdeckt werden.

Aus der Druckschrift TANG, R. u. a.: Phased Arrays: In: Antenna Engineering Handbook, 2. Ausgabe 1984, herausgegeben von R.C. Johnson und H. Jasik, Seite 20-1 bis Seite 20-67 sind theoretische und praktische Betrachtungen zum Aufbau phasengesteuerter Antennen bekannt. Für diese werden die allgemeinen Grundlagen beschrieben. Außerdem werden Maßnahmen beschrieben, um zu einer vorgebbaren Ra­ daranwendung die zugehörigen Antennenparameter zu ermitteln.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Rück­ streuung einer Gruppenantenne zu verringern.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die Aufteilung aller Strahlerelements in jeweils vier parallelgeschaltete Einzelstrahler wird gegenüber dem Fall eines Strahlers pro Element aus Sicht einer auftretenden Welle der Strahlerabstand halbiert und damit das erste Auftreten von Rückstreu-Maxima zur doppelten Frequenz verschoben, während für die Gruppenantenne selbst durch die gleichbleibende Anzahl von Speisean­ schlüssen und Phasen- und/oder Amplitudenstellgliedern der Aufwand nicht wesentlich erhöht wird. Vorzugsweise werden die Einzelstrahler im gegenseitigen Abstand einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz angeordnet, so daß der Abstand der Strahlerelemente wie bei den gebräuchlichen Gruppenantennen eine halbe Wellenlänge beträgt. Vorteilhafterweise sind die Kombinationsnetz­ werke, über die die vier Einzelstrahler eines Strahler­ elements verbunden sind, oder die Einzelstrahler selbst schmalbandig für die Betriebsfrequenz der Antenne aus­ gelegt. Hierdurch wird vermieden, daß von einem Einzel­ strahler Leistung aus der auftreffenden Welle aufgenommen und von den anderen Einzelstrahlern wieder abgestrahlt wird und auf diese Weise wiederum Rückstreukeulen ent­ stehen. Besonders vorteilhaft ist dabei die Ausführung der Einzelstrahler als Scheibenstrahler in Streifen­ leitungstechnik (Patch-Strahler), die von sich aus einen ausgeprägten Bandpaßcharakter mit einer Bandbreite von rund 5% ausweisen. Andere vorteilhafte Ausführungsformen der Einzelstrahler für das Viertelwellenlängen-Raster sind Hohlleiter-Aperturstrahler mit dielektrischer Füllung oder elektrisch verkürzte Schlitzstrahler. Vor­ teilhafterweise sind die Strahlerelemente als gleich aufgebaute Module, die lösbar an die Speiseanschlüsse angeschlossen sind, ausgeführt, die in baulicher Einheit sowohl die Einzelstrahler als auch das Kombinationsnetz­ werk enthalten. Die Module können darüber hinaus auch noch die Phasen- und/oder Amplitudenstellglieder, auch als aktive und/oder steuerbare Gruppen umfassen.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch weiter veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Apertur einer gebräuchlichen Gruppenantenne mit in horizontalen Zeilen und vertikalen Spalten äquidistant im Abstand von ca. λ/2 (λ = Freiraumwellenlänge bei der Betriebsfrequenz) an­ geordneten Strahlerelementen E, die z. B. als separate Module in vertikaler und horizontaler Richtung anein­ andergereiht sind. Die Modulbegrenzungen sind als unter­ brochene Linien eingezeichnet. Jedes Strahlerelement E enthält einen Scheibenstrahler (patch) P, der in Streifen­ leitungstechnik auf einem dielektrischen Substrat S aufgebracht ist. Auf der Rückseite des Substrats befinde sich eine Metallplatte als Massefläche der Streifen­ leitung mit Durchführungen zu den Scheibenstrahlern P.

Demgegenüber zeigt die Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Apertur einer nach der Erfindung gestalteten Gruppenan­ tenne. Die Strahlerelemente E′ sind wiederum im λ/2-Ab­ stand in horizontaler und vertikaler Richtung angeordnet. Jedes Strahlerelement E′ weist aber vier einzelne Scheibenstrahler P′ auf, die in horizontaler und ver­ tikaler Richtung zueinander und zu den Scheibenstrahlern der benachbarten Strahlerelemente einen Abstand von ca. λ/4 aufweisen. Um die Scheibenstrahler dichter packen zu können, ist die Dielektrizitätskonstante ε des Substrats S′ in Fig. 2 höher gewählt als das ε′ des Substrats S in Fig. 1, z. B. ε′ = 4ε, wodurch sich die Abmessungen der einzelnen Scheibenstrahler P′ gegenüber den Strahlern P in Fig. 1 verringern. Die vier Einzelstrahler eines Strahlerelements sind über Durchführungen durch die Metallplatte mit dem hinter dieser befindlichen Kombinationsnetzwerk K verbunden, das zu dem gemeinsamen Speiseanschluß A führt und durch strichpunktierte Linien angedeutet ist. Die Leitungsstruktur des Kombinations­ netzwerks zur Zusammenfassung der Strahler kann Trans­ formationselemente enthalten und kann als reaktive Ver­ zweigung oder als angepaßte Verzweigung realisiert sein. Das Netzwerk ist vorzugsweise ebenfalls in Streifen­ leitungstechnik ausgeführt. Die Scheibenstrahler weisen von sich aus einen ausgeprägten Bandpaßcharakter auf und lassen den Betrieb der Antenne als Sende- und/oder Empfangsantenne im allgemeinen nur über ein schmales Frequenzband von ca. 5% Bandbreite zu. Diese Bandpaß­ eigenschaft verhindert oberhalb des Betriebsfrequenzbands der Antenne die Einkopplung von einfallenden Wellen in das Kombinationsnetzwerk und die Wiederabstrahlung über andere Einzelstrahler, d. h. die Rückstreueigenschaften der Antennenstruktur werden durch die Kombinationsnetz­ werke nicht beeinträchtigt.

Claims (6)

1. Gruppenantenne mit einer Vielzahl von in einem Raster mit Zeilen und Spalten äquidistant angeordneten Strahler­ elementen,

• - die über je einen Speiseanschlup mit individueller Phasen- und/oder Amplitudeneinstellung an ein Anten­ nenspeisenetzwerk angeschlossen sind und
• - die in einem Rastermaß von ungefähr der Hälfte der Freiraumwellenlänge bei der Betriebsfrequenz der An­ tenne angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
• - daß jedes Strahlerelement (E′) aus vier untereinander mit gleicher Phase und Amplitude über ein Kombina­ tionsnetzwerk (K) an einen gemeinsamen Speiseanschluß (A) angeschlossene Einzelstrahler (P′) besteht,
• - daß die Einzelstrahler (P′) ein gleichmäßiges Raster mit gegenüber dem Rastermaß der Strahlerelemente (E′) halbiertem Rastermaß bilden und
• - daß das Kombinationsnetzwerk (K) und/oder die Einzel­ strahler (P′) schmalbandig für die Betriebsfrequenz ausgebildet sind.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (P′) als Scheibenstrahler in Streifenleitungstechnik ausgeführt sind.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das dielektrische Substrat (S′) der Streifen­ leitungsanordnung eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr sechs aufweist.

4. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (P′) als Hohl­ leiter-Aperturstrahler mit dielektrischer Füllung aus­ geführt sind.

5. Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (P′) als dielektrisch verkürzte Schlitzstrahler ausgeführt sind.

6. Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (P′) und das Kombinationsnetzwerk (K) eines Strahlerelements (E′) seine lösbar an den Speiseanschluß (A) angeschlossene bauliche Einheit bilden.