DE3787797T2 - Halbleiter phasengesteuerte gruppenantenne mit kleinen nebenkeulen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Festkörper bzw. Halbleiter phasengesteuerte Gruppenantenne nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
• Es ist bekannt, daß Radarantennen Mikrowellenstrahlung in einem breiten Muster abstrahlen, welches bei einer gerichteten Antenne eine schmale Hauptkeule und breite Nebenkeulen der Strahlung enthält. Nach gebräuchlicher Definition ist die Hauptkeule die zentrale Keule eines Strahlungsmusters bei gerichteten Antennen, während sich die Nebenkeulen auf die geringeren Keulen von progressiv abnehmender Amplitude auf beide Seiten der Hauptkeule beziehen und sich oft rückwärtig zur Hauptkeule erstrecken.
• Im allgemeinen bestimmt die Konfiguration einer Radarantennenöffnung den Umfang und die relative Größe der zugeordneten Nebenkeulen; der Gewinn bzw. die Verstärkung (gain) der stärksten Nebenkeule beträgt typischerweise etwa 1/64 der Größe der Hauptkeule. In Dezibel ausgedrückt liegt der Gewinn bzw. die Verstärkung der stärksten Nebenkeule unterhalb von etwa 18 dB bezüglich des zugeordneten Gewinns bzw. der Verstärkung der Hauptkeule. Gewinne bzw. Verstärkungen der anderen Nebenkeulen sind üblicherweise erheblich kleiner als die der stärksten Nebenkeule. Obwohl der Gewinn bzw. die Verstärkung der Nebenkeule wegen des großen Raumwinkels, in welchen die Nebenkeulen abstrahlen, im Vergleich zu dem kleinen Raumwinkel, in welchen die Hauptkeule abstrahlt, typischerweise viel kleiner als der Gewinn bzw. die Verstärkung der Hauptkeule ist, ist in den Nebenkeulen typischerweise etwa 25% der vollständigen Leistung enthalten, welche durch eine gleichförmig illuminierte Radarantenne abgestrahlt wird.
• Gewöhnlich liegt in der Nebenkeulenstrahlung keine sinnvolle Funktion, und darüber hinaus weist das Darbieten von ungenutzt gelassener Strahlungsleistung andere ernste Nachteile auf. Beispielsweise erhöhen Störflecke von Nebenkeulenrückführungen die Schwierigkeit des Unterscheidens von Zielen gegenüber dem Hintergrund. Ein anderer bedeutender Nachteil der Nebenkeulenstrahlung besteht darin, daß die Strahlung in einem militärischen Umfeld von feindlichen Kräften zum elektronischen Stören des Radars und ebenso zum örtlichen Bestimmen und zum Hinleiten von Munition zu dem Radar verwendet werden kann. Obwohl diesbezüglich die Hauptkeulenstrahlung gewöhnlich viel stärker als die Nebenkeulenstrahlung ist, erschwert der relativ schmale Raumwinkel der Strahlung und die Direktionalität das Stören der Hauptkeulenstrahlung, die Radarlokalisierung und die Lenkung von Munition.
• Aus diesen und anderen Gründen ist die Reduzierung oder die Unterdrückung der Radar-Nebenkeulenstrahlung, insbesondere bei einem militärischen Radar, wichtig, und es ist nicht ungewöhnlich, wenn in Dokumenten bezüglich militärischen Vorgehens strenge Grenzen der Nebenkeulenstrahlung gefordert werden.
• Entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung, ausgehend von einer Festkörper bzw. Halbleiter phasengesteuerten Gruppenantenne nach dem Stand der Technik gemäß "IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest", 15.-17. Juni 1982, Dallas, Texas, IEEE (New York, US), D.N. Mc Qiuddy Jr; "Solid state radar's path to GaAs", Seiten 176-178. Diese bekannte Festkörper bzw. Halbleiter phasengesteuerte Gruppenantenne umfaßt eine Antennenöffnung, welche aus einer großen Anzahl von N individuellen nahe beabstandeten Strahlungsöffnungen und einer Anzahl von N individuellen Strahlungselementen gebildet ist, welche jeweils einem der oben erwähnten Strahlungsöffnungen zum Abstrahlen von Mikrowellenenergie dadurch wirkend zugeordnet sind. Des weiteren ist eine Anzahl von individuellen Festkörper- bzw. Halbleiter-Leistungsmodulen in Form von "transient balancierten Leistungsverstärkern" vorgesehen, welche jeweils wirkend einem der entsprechenden Strahlungselemente zum Bereitstellen von Leistung dazu in Abhängigkeit der Amplitude der Ausgangsspannung diesen Leistungsverstärkern zugeordnet sind.
• Die Verwendung eines individuellen Festkörper- bzw. Halbleiter-Leistungsmoduls für jedes Strahlungselement oder für wenigstens eine Untergruppe von Strahlungselementen - wodurch eine sogenannte "aktive" Gruppe gebildet wird - bietet den Vorteil eines verbesserten Kühlvermögens gegenüber "passiven" Gruppen, bei welchen lediglich eine zentrale Leistungszufuhr vorgesehen ist; darüber hinaus kann innerhalb einer großen aktiven Gruppe eine vergleichbar große Anzahl von Leistungsmodulen ausfallen, oder es kann eine Fehlfunktion ohne Beeinträchtigung der Effektivität der Antenne auftreten.
• Ein generelles Problem von phasengesteuerten Gruppenantennen dieses Typs ist die Unterdrückung von Nebenkeulenstrahlung; das bedeutet, der Gewinn bzw. die Verstärkung der Nebenkeulenstrahlung sollte viel geringer sein als der Gewinn bzw. die Verstärkung der Hauptkeulenstrahlung. Dies liegt daran, daß die Nebenkeulenstrahlung nicht lediglich eine Vergeudung von Strahlungsenergie bedeutet, sondern ebenso andere ernste Nachteile wie eine erhöhte Schwierigkeit beim Diskriminieren von Zielen beinhaltet. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, derartige Nebenkeulenstrahlung bei passiven Gruppenantennen durch Verjüngung der Illumination über die Öffnung zu unterdrücken, so daß individuelle Strahlungselemente nahe den Seitenrändern der Gruppe weniger Energie abstrahlen als Elemente, welche sich näher an dem Zentrum befinden.
• Es ist bereits vorgeschlagen worden, daß oben erwähnte Schema des Verjüngens der aktiven Gruppen durch Verwendung einer sehr großen Zahl von Leistungsmodulen anzunehmen, welche jeweils einen unterschiedlichen Leistungsausgang aufweisen und angeordnet sind, ein Verjüngen zu simulieren. Es hat sich jedoch in der Praxis als unmöglich gezeigt, dieses Verfahren zu verwenden, da wesentlich mehr als zwanzig unterschiedliche Typen von Leistungsmodulen benötigt werden; eine solch große Zahl von unterschiedlichen Leistungsmodulen erhöht jedoch wesentlich die Produktionskosten der Gruppe und, was sich als noch nachteiliger erweist, ruft nachfolgende Instandhaltungs- und logistische Unterstützungsprobleme hervor.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aktive phasengesteuerte Gruppenantenne gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu verbessern, daß eine ausgezeichnete Unterdrückung der Seitenkeulenstrahlung ohne wesentliches Anwachsen der Produktionskosten oder Verursachen von Instandhaltungs- und logistischen Unterstützungsproblemen hervorgerufen wird.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung werden daher die Leistungsmodule in eine Zahl von M Gruppen unterteilt, wobei die Zahl M wesentlich geringer als die Zahl N ist, die M Gruppen der Leistungsmodule des weiteren in einem konzentrischen Muster (vergleiche Fig. 4) um einen Zentralpunkt der Gruppe angeordnet sind, wobei die Amplitude der Ausgangsspannung der Leistungsmodule innerhalb jeder Gruppe gleich, jedoch unterschiedlich in unterschiedlichen Gruppen ist. Es ist herausgefunden worden, daß es mit den obigen Maßnahmen möglich ist, leicht den Gewinn bzw. die Verstärkung der Nebenkeule auf wenigstens 30 dB unter den Gewinn bzw. die Verstärkung der Hauptkeule durch Auswahl der Amplitude der Ausgangsspannung jeder Gruppe von Leistungsmodulen und durch eine Kombination des Auswählens einer Abmessung des Musters jeder Gruppe zu reduzieren. Da auf diese Art eine hinreichende Nebenkeulenunterdrückung durch bloßes Verwenden von 3 bis 10 unterschiedlichen Typen von Leistungsmodulen erzielt werden kann, werden weder die Produktionskosten wesentlich erhöht, noch Instandhaltungs- und logistische Unterstützungsprobleme hervorgerufen.
• Vorteilhafte Entwicklungen der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen 2 bis 5 angezeigt; ein bevorzugten Verfahren zum Konfigurieren einer Antennengruppe jenes Typs ist der Gegenstand von Ansprüchen 6 bis 10.
• In der US-A-3 760 345 ist eine Wandlergruppe zum Empfang oder zum Senden von akustischen oder elektromagnetischen Signalen mittels gleichförmigen quadratischen Wandlerelementen offenbart, welche jeweils an zugeordnete Schattierungswiderstände gekoppelt sind. Diese bekannte Gruppe ist jedoch passiv und besitzt folglich nicht eine Mehrzahl von Leistungsmodulen im Sinne des Merkmals [c] des Oberbegriffs von Anspruch 1.
• Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht einer exemplarischen aktiven Festkörper- bzw. Halbleiter- Gruppenantenne, mit welcher die vorliegende Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann,
• Fig. 2 eine bildhafte Darstellung des Strahlungsmusters eines typischen im Flugzeug eingebauten Radars, welche die Hauptkeulen- und Nebenkeulenteile des Strahlungsmusters darstellt,
• Fig. 3 ein Diagramm, welches das verwendete Koordinatensystem bildlich darstellt, um die Koordinaten des Fernfeldes relativ zu einer Strahlungsantenne zu spezifizieren,
• Fig. 4 ein Diagramm, welches die Art bildlich darstellt, in welcher die im allgemeinen aktive Festkörper- bzw. Halbleiter-Gruppenantenne in eine Reihe von M konzentrischen, überlappenden elliptischen Leistungsmodulzonen unterteilt wird, wobei jede der Zonen einen unterschiedlichen Leistungspegel aufweist,
• Fig. 5 ein Diagramm, welches relativ zu einem Gruppenquerschnitt entlang der Linie 5-5 von Fig. 4 darstellt, wie die Öffnungsilluminationsverjüngung durch Überlagerung von unterschiedlichen Spannungspegeln von Leistungsmodulen in den unterschiedlichen Modulzonen von Fig. 4 vorgesehen ist,
• Fig. 6 ein Diagramm ähnlich den rechtsliegenden Teilen des Diagramms von Fig. 5, welches für eine besondere Gruppenkonfiguration und ein Nebenkeulenstrahlungserfordernis normierte Leistungspegel für 5 Leistungsmodulzonen darstellt, wobei die entsprechenden normierten Zonengrenzabmessungen ebenfalls angezeigt sind,
• Fig. 7 eine grafische Aufzeichnung des Gewinns bzw. der Verstärkung der Fernfeld-Hauptkeule und -nebenkeule gegenüber einem Winkel der breitseitigen Achse für die in Fig. 6 dargestellten Bedingungen; idealisierte, elliptische Öffnungszonen werden angenommen, und
• Fig. 8 eine grafische Aufzeichnung des Gewinns, bzw. der Verstärkung der Fernfeld-Hauptkeule und -nebenkeule gegenüber einem Winkel der breitseitigen Achse für Bedingungen, bei welchen abgestufte Grenzzonen entsprechend einer tatsächlichen Modulgitterkonfiguration angenommen werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• In Fig. 1 ist beispielhaft in einer Explosionsansicht eine aktive Festkörper- bzw. Halbleiter-Gruppenantenne 10 des allgemeinen Typs dargestellt, mit welcher die vorliegende Erfindung vorteilhaft verwendet werden kann. Die Antenne 10, welche als in einem Flugzeug angebracht dargestellt ist, umfaßt einen Öffnungsaufbau 12, einen Kühlflüssigkeitsplattenaufbau 14, einen Festkörper- bzw. Halbleiter-Leistungsmodulaufbau 16 und einen Streifenleitungszuführungsaufbau 18. In dem Öffnungsaufbau 12 ist eine große Zahl von Strahlungselementen 24 enthalten, welche jeweils eine darin angeordnete dielektrische Fülleinrichtung 26 aufweisen. In einer Vorderseite 28 des Öffnungsaufbaus 12 ist eine große Anzahl von Öffnungen 30 definiert, welche jeweils einem der Strahlungselemente 24 zugeordnet sind. Auf dem Kühlplattenaufbau 14 ist eine Zahl von Schleifenaufbauten 32 angeordnet, welche ebenso jeweils einem der Strahlungselemente 24 zugeordnet sind. Eine große Zahl von Festkörper- bzw. Halbleiter-Leistungsmodulen 34 umfaßt den Leistungsmodulaufbau 16, wobei jedes Modul vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ein einziges zugeordnetes Strahlungselement 24 mit Leistung versorgt.
• Die vorliegende Erfindung ist prinzipiell auf das Vorsehen von voraus gewählten Betriebsspannungspegeln der Leistungsmodule (entsprechend den Modulen 34) und auf die physikalische Anordnung solcher Module in einem Aufbau (entsprechend dem Modulaufbau 16) gerichtet, so daß die Fernfeldstrahlung der Antenne sehr kleine Nebenkeulen zeigt. Bezüglich der Nebenkeulen erläutert Fig. 2 ein typisches Strahlungsmuster 38, welches einem Radar zugeordnet ist, das von einem Flugzeug 40 getragen wird. Das in einem Flugzeug eingebaute Radar kann beispielsweise eine aktive Festkörperbzw. Halbleiter-Gruppe ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Gruppe 10 aufweisen. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt das Strahlungsmuster 38 eine enge, strahlenförmige Hauptkeule 42 und kleinere, fächerförmige Nebenkeulen 44 auf jeder Seite der Hauptkeule. Die Nebenkeulen 44 umfassen mehrere unterschiedliche Keulen 46, welche sich unter unterschiedlichen Winkeln α relativ zu einer Hauptstrahlachse 48 auffächern; typischerweise vermindert sich die Intensität der Nebenkeulen, wenn der Winkel (i ansteigt. Des weiteren kann aus Fig. 2 gesehen werden, daß sich einige der Keulen 46 nach hinten relativ zur Hauptkeule 42 erstrecken, wobei der zugeordnete Winkel α größer als 90º ist.
• Wie insbesondere unten beschrieben ist, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Konfigurieren einer aktiven Festkörper- bzw. Halbleiter-Gruppe, so daß der Gewinn bzw. die Verstärkung der Fernfeld-Nebenkeule wenigstens 30 dB unterhalb des Gewinns bzw. der Verstärkung der Fernfeld-Hauptkeule liegt. Im allgemeinen werden die durch die vorliegende Erfindung vorgesehenen reduzierten Nebenkeulen durch Verjüngung der Strahlungsillumination in relativ wenigen, genau bestimmten Schritten erreicht.
• Zum Zwecke der weiteren Beschreibung der Erfindung wird der allgemeinere Fall einer rechtwinkligen aktiven Festkörperbzw. Halbleiter-Gruppe 60 betrachtet, welche in Fig. 3 bis 5 bildlich dargestellt ist. Die Gruppe 60 entspricht im allgemeinen der Gruppe 10 (Fig. 1), insoweit die allgemeine Konstruktion betrachtet wird.
• Es kann ebenso zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung angenommen werden, daß die Gruppe 60 rechtwinklige Abmessungen 2a und 2b aufweist und R Reihen und C Spalten von linear polarisierten, rechtwinkligen Strahlungselementen 62 aufweist. Ein Leistungsmodul 64 (welches gestrichelt gezeichnet ist) ist einem Element 6z zugeordnet.
• Es wird jedoch zum Zwecke der Vereinfachung folgender Gleichungen angenommen, daß die Gruppe 60 eine elliptische (anstelle einer rechteckigen) Strahlungsöffnung 66 aufweist; es ist durch die Erfinder bestimmt worden, daß die Gruppenrandregionen 68 sich lediglich vernachlässigbar auf die Nebenkeulen verteilen. Zum Zwecke der folgende Beschreibung wird das Fernfeld G, welches der Strahlungsöffnung 66 zugeordnet ist, berücksichtigt, wobei das Fernfeld an irgendeinem Punkt durch Winkel R und Φ definiert ist, welches im allgemeinen als G (R, Φ) in Fig. 3 identifiziert ist.
• Ein prinzipielles Merkmal der vorliegenden Erfindung ist zum Zwecke der Analyse das Teilen der Strahlungsöffnung 66 in relativ wenige, überlagerte elliptische Zonen um einen Zentralpunkt "A", und die Auswahl von Zonengrenzachsen ai, bi und Zonenspannungsamplituden Ei, welche auf eine Art zugeordnete sind, die eine verjüngte Illumination der Öffnung vorsieht, welche sehr kleine Fernfeld-Nebenkeulen gewährleistet.
• Vorzugsweise variiert die Anzahl von ausgewählten elliptischen Zonen zwischen 3 und etwa 10 und insbesondere zwischen 3 und lediglich etwa 7. Eine ungenügende Bereitstellung einer Illuminationsverjüngung wird bei Verwendung von weniger als 3 Zonen angenommen, und obwohl eine weichere Verjüngung durch Verwendung von mehr als etwa 7 Zonen vorgesehen werden kann, sind die Kosten der Verwendung von mehr unterschiedlichen Leistungsmodultypen hoch, und darüber hinaus wird von den Erfindern zur Erzielung von sehr kleinen Nebenkeulen die Verwendung einer höheren Zahl von Zonen für unnötig empfunden. Für spezifische Zwecke des Erläuterns der Erfindung ist die Anzahl der gezeigten und beschriebenen Zonen gleich 5; es ist jedoch irgendeine Begrenzung der Verwendung auf etwa 5 Zonen weder beabsichtigt noch implementiert.
• Die ersten bis fünften konzentrischen, progressiv größeren elliptischen Zonen 74, 76, 78, 80 bzw. 82 werden so ausgewählt, daß die Zonen gleich große kleinere und größere Halbachsen a&sub1;, a&sub2;, a&sub3;, a&sub4;, a&sub5; und b&sub1;, b&sub2; b&sub3;, b&sub4;, b&sub5; (Fig. 4) aufweisen. Die erste Zone 74 ist die kleinste Zone und die fünfte Zone 82 ist die größte Zone und füllt vollständig die Öffnung 66, wobei die Abmessungen von a&sub5; und b&sub5; gleich den Abmessungen der Öffnung a bzw. b (Fig. 3) sind.
• Wie aus Fig. 5 zu sehen ist, welche einem Querschnitt der Gruppe 60 bezüglich einer diagonalen Ausgangsspannung entspricht, werden die Zonen 74, 76, 78, 80 und 82 zum Zwecke der Analyse als aufeinander aufgestapelt (oder überlagert) angesehen, wobei die fünfte, größte Zone 82 sich auf dem Grund und die erste, kleinste Zone 74 sich an der Spitze befindet. Den Zonen 74, 76, 78, 80 und 82 sind unterschiedliche Spannungsamplituden Ei zugeordnet, wobei die Amplitude E&sub1; der Zone 74, E&sub2; der Zone 76, E&sub3; der Zone 78, E&sub4; der Zone 80 und E&sub5; der Zone 82 zugeordnet ist. In Regionen, bei welchen sich zwei oder mehr Zonen 74 bis 82 überlappen, werden die Spannungsamplituden Ei addiert, um eine Leistungsmodulspannung zu errichten. Beispielsweise ist in einer zentralen elliptischen Region 84, welche durch die erste Zone 74 definiert ist, die kombinierte Spannungsamplitude der aufgestapelten Zonen 74 bis 82, welche durch die darunterliegenden Leistungsmodule 60 bereitgestellt werden soll, gleich E&sub1; + E&sub2; + E&sub3; + E&sub4; + E&sub5;. In einem ringförmigen Gebiet 86 der Zone 76 außerhalb der ersten Zone 74 ist die geforderte, durch darunterliegende Leistungsmodule 60 vorzusehende Spannungsamplitude gleich E&sub2; + E&sub3; + E&sub4; + E&sub5;; in einem ringförmigen Gebiet 88 der dritten Zone 78 außerhalb der zweiten Zone 74 ist die geforderte, durch darunterliegenden Leistungsmodule vorzusehende Spannungsamplitude gleich E&sub3; + E&sub4; + E&sub5;. In einem ringförmigen Gebiet 90 der vierten Zone 80 außerhalb der Zone 78 ist wiederum die geforderte, durch darunterliegende Leistungsmodule 60 vorzusehende Spannung gleich E&sub4; + E&sub5;; außerhalb der Zone 80 ist in einem ringförmigen Gebiet 92 der fünften Zone 82 von den darunterliegenden Leistungsmodulen 60 gefordert, eine Spannungsamplitude lediglich gleich E&sub5; vorzusehen. Durch die bekannten Prinzipien der Überlagerung kann jede Zone 74 bis 82 separat bezüglich dem Bereitstellen lediglich einer einzigen, entsprechenden Spannungsamplitude E&sub1; bis E&sub5; behandelt werden.
• Das vorliegende Verfahren behandelt alle Zonenachsen- Abmessungen ai, bi und Zonenspannungsamplituden Ei als unabhängige Variable. Wenigstens ein Satz von Werten dieser Variablen wird berechnet, welcher, wie gefordert sein kann, entweder minimale Nebenkeulen oder einen Gewinn bzw. eine Verstärkung der Nebenkeule vorsieht, welcher bzw. welche eine voraus gewählte Zahl von dB niedriger als der entsprechende Gewinn bzw. die Verstärkung der Hauptkeule ist. Diese unabhängigen Variablen ai, bi und Ei werden für zahlreiche Punkte G(R, Φ) durch die Gleichung berechnet:
• G(R,Φ) = [f(R,Φ) (âR cos R - âΦ sin Φ cos R)]², (1)
• wobei des weiteren J&sub1;(ui) die Besselfunktion erster Ordnung ist, k&sub0; die Wellenzahl ist, welche der Strahlung zugeordnet ist, und âR und âΦ die Einheitsvektoren des Kugelkoordinatensystems sind.
• Um den optimalen Satz von Parametern (ai, bi, Ei) für kleine Nebenkeulen zu bestimmen, können Standardtechniken der Gradientensuche verwendet werden. In dem Optimierungsverfahren wird ein anfänglicher Satz von Parametern als Startpunkt ausgewählt, und ein gegenwärtiger maximaler Nebenkeulenpegel (von etwa -30dB) wird als Durchführungskriterium ausgewählt. Danach kann das Antennenfernfeldmuster mit dem anfänglichen Satz von Eingangsparametern unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet werden. Danach wird die gesamte Leistung aller Nebenkeulen, welche den gegenwärtigen Pegel überschreiten, was als Fehler definiert ist, berechnet. Danach wird eine kleine Veränderung eines der Parameter, entweder ein positives oder negatives Inkrement, eingeführt, und der Fehler wird rückgerechnet. Durch Überprüfung der Neigung des Fehlers und somit des Gradienten (Rate der Veränderung) kann entschieden werden, auf welche Art der folgende Schritt der Veränderung implementiert werden sollte. Das Verfahren wird für diesen Parameter wiederholt, bis ein lokales Minimum des Fehlers erlangt wird. Durch dasselbe Verfahren wird der Iterationsprozeß für alle anderen Parameter durchgeführt, bis der Fehler auf einen akzeptablen Pegel reduziert ist. Dieses Optimierungsverfahren kann durch Verwendung eines Computers leicht durchgeführt werden. Im Wege eines spezifischen Beispiels, wobei wiederum keine Beschränkungen dadurch beabsichtigt oder implementiert sind, haben die Erfinder für M gleich 5 (d. h. für 5 Öffnungszonen) die optimalen Zonengrenzen ai, bi und die Ausgangsspannungsamplituden Ei bestimmt. Diese Werte sind unten in Tabelle 1 dargestellt, wobei a = a&sub5; = 1,3 m und b = b&sub5; = 0,87 m, die Summe von E&sub1; + E&sub2; + E&sub3; + E&sub4; + E&sub5; auf 1,0 normiert ist und die Strahlungsfrequenz 3,25 GHz beträgt. Des weiteren ist zur Vereinfachung der mathematischen Ableitung das Verhältnis bi/ai für jede Zone identisch dem jeder anderen Zone. Tabelle 1
• Fig. 6 entspricht direkt der rechtsseitigen Hälfte von Fig. 5 und stellt bildlich, relativ zur Skala und für die bin Abmessungen auf b = b&sub5; = 1 normiert, die entsprechende, berechnete Spannungsamplitude E&sub1; für jede der fünf Zonen 74, 76, 78, 80 und 82 dar. Ebenso ist in Fig. 6 der dB-Wert dargestellt, welcher der Differenz des Leistungspegels über jede Grenze zugeordnet ist: 2,62 dB bezüglich der Zone 74; 3,06 dB bezüglich Zone 76; 3,1 dB bezüglich Zone 78 und 5,11 dB bezüglich Zone 80.
• Für die in Tabelle 1 aufgelisteten berechneten Werte ai, bi, Ei ist in Fig. 7 der Gewinn bzw. die Verstärkung des Antennenmusters (in dB) gegenüber dem Höhenwinkel R aufgezeichnet, welcher von der Breitseitenachse gemessen ist. Es ist aus Fig. 7 ersichtlich, daß die Gewinne bzw. Verstärkungen aller Nebenkeulen 46 (schattiert dargestellt) wenigstens unterhalb etwa 36 dB der Spitze (0º) des Gewinns bzw. der Verstärkung der Hauptkeule 42 über dem vollständig sichtbaren Strahlungsbereich liegen.
• Bei dem Vorhergehenden ist für Berechnungen, welche mit Gleichung 1 verbunden sind, angenommen worden, daß die Grenzen der fünf elliptischen Zonen 74, 76, 80 und 82 ideal elliptisch sind, wie es der Fall wäre, wenn eine unbegrenzte Zahl von unbegrenzt kleinen Leistungsmodulen 64 über die Antennenelemente 62 verteilt wären. Real überschneiden sich jedoch jede der Strahlungszonen in einer zwar großen aber dennoch begrenzten Zahl von Strahlungselementen 62, so daß die Zonengrenzen durch eine diskontinuierliche, abgestufte Form (Fig. 4) genauer angenähert werden. Es erhebt sich darauf die Frage, zu welchen der zwei benachbarten Zonen die sich überschneidenden Strahlungselemente 62 (und entsprechende Leistungsmodule) aufgeteilt werden sollten, und ebenso, ob die Aufteilung auf die eine oder andere Zone einen wesentlichen Unterschied bezüglich der Reduktion des Gewinns bzw. der Verstärkung der Nebenkeule ausmacht.
• Um diese Frage zu beantworten, wurde von den Erfindern ein spezifisches Gruppenmuster verwendet, wobei der aktuelle Elementabstand und die Gitterstruktur berücksichtigt wurde, um die Öffnungszonenparameter ai und bi und die Spannungsamplituden zu berechnen. Zu diesem Zwecke wurde die aktuelle geometrische Konfiguration einer vorgeschlagenen Festkörper- bzw. Halbleiter-Radargruppe angenommen, welche eine Gruppengröße von 2,6 bis 1,75 m und 1188 rechtwinklige Strahlungselemente aufweist. Des weiteren wurde angenommen, daß die Zonengrenzen aktuellen Grenzen der Strahlungsöffnungen folgen. Werte von ai, bi und Ei für minimale Nebenkeulen wurden für eine solche Gruppenkonfiguration durch Verwendung von Gleichung 1 erlangt. Der berechnete Gewinn bzw. die Verstärkung gegenüber dem Höhlenwinkel ist in Fig. 8 aufgezeichnet, welche zeigt, daß der höchste Gewinn bzw. die höchste Verstärkung der Nebenkeule wenigstens unterhalb etwa 37 dB der Spitze des Gewinns bzw. der Verstärkung der Hauptkeule liegt. Ein Vergleich von Fig. 7 und 8 zeigt somit, daß der Gewinn bzw. die Verstärkung dennoch in beiden Fällen etwa gleich ist, obwohl das Nebenkeulenmuster unter aktuellen Bedingungen (Fig. 8) leicht unterschiedlich im Vergleich zu jenem unter idealisierten Bedingungen (Fig. 7) ist.

Claims (10)

1. Phasengesteuertes Festkörper-Gruppenantennengerät mit kleiner Seitenkeule, das ein Fernfeld-Hauptkeulen- und ein Seitenkeulen-Strahlungsmuster aufweist, mit:

[a] einer Antennenöffnung (12), die aus einer großen Anzahl von N individuellen, eng beabstandeten Strahlungsöffnungen (30) gebildet ist;

[b] einer Anzahl von individuellen Strahlungselementen (24), von denen jedes einer entsprechenden der N Strahlungsöffnungen (12) betrieblich zugeordnet ist, um Mikrowellenenergie durch diese auszustrahlen; und

[c] einer Anzahl von individuellen Festkörper-Leistungsmodulen (34), von denen jedes mindestens einem der N Strahlungselemente (24) betrieblich zugeordnet ist, um in Abhängigkeit von der Ausgangsspannungsamplitude (E) des jeweiligen Festkörper-Leistungsmoduls (34) diesen Leistung zuzuführen;

dadurch gekennzeichnet, daß

[d] die Leistungsmodule (34) in eine Anzahl von M Gruppen unterteilt sind, wobei die Anzahl M vorzugsweise zwischen 3 und 10 liegt und deutlich kleiner als die Anzahl N ist;

[d.1] die M Gruppen der Leistungsmodule (34) in einem konzentrischen Muster (Fig. 4) um einen zentralen Punkt (A) der Gruppe herum angeordnet sind;

[d.2] die Ausgangsspannungsamplitude (E) der Festkörper- Leistungsmodule (34) innerhalb jeder Gruppe gleich, jedoch unterschiedlich in unterschiedlichen Gruppen ist; und daß

[e] die Ausgangsspannungsamplitude (E) jeder Gruppe und eine Musterabmessung jeder Gruppe in Kombination so gewählt sind, daß die Seitenkeulen-Verstärkung mindestens 30 dB unterhalb der Hauptkeulen-Verstärkung liegt.

2. Gruppenantenne nach Anspruch 1, bei der die Anzahl N ungefähr gleich 5 ist.

3. Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, bei der die äußere Grenze jeder der M Gruppen der Leistungsmodule elliptisch geformt ist, wobei jede der Grenzen eine große Halbachse der Länge ai und eine kleine Halbachse der Länge bi aufweist, wobei sich der Index "i" auf die i-te Grenze bezieht.

4. Gruppenantenne nach Anspruch 3, bei der die Ausgangsspannungsamplituden und die Anordnung der M Gruppen der Leistungsmodule gewählt werden, indem die Gruppenanordnungen der M Module behandelt werden, als enthielten sie eine Überlagerung von M elliptisch geformten, überlappenden Zonen, welche die gleichen Grenzen wie entsprechende der M Gruppen der Module aufweisen, wobei jeder der M Zonen eine unterschiedliche Spannungsamplitude Ei zugeordnet ist, wobei die Spannungsamplitude der Leistungsmodule in jeder der M Gruppen durch Addition der unterschiedlichen Spannungsamplituden, Ei, der entsprechenden überlappenden Zonen gewählt ist, wobei mit dem Index "i" die i-te Zone bezeichnet ist.

5. Gruppenantenne nach Anspruch 4, bei der die Spannungsamplituden, Ei, und die Halbachsen-Längen, ai und bi, durch Anwendung der folgenden Fernfeld-Gleichung gewählt sind, um zu bewirken, daß die Seitenkeulen-Verstärkung mindestens 30 dB unterhalb der Hauptkeulen-Verstärkung liegt:

G(0,Φ) = [f(0,Φ) (â&sub0; cos Φ - âΦ sin Φ cos 0=]²,

in der J&sub1; (ui) die Bessel-Funktion erster Ordnung ist, âR und âΦ Einheitsvektoren im Kugelkoordinatensystem sind und k&sub0; die dem abgestrahlten Feld zugeordnete Wellenzahl ist.

6. Verfahren zum Konfigurieren einer Gruppenantenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch die Schritte:

[1] Unterteilen der Leistungsmodule (34) in eine Anzahl von M Gruppen, wobei die Anzahl M vorzugsweise zwischen 3 und 10 liegt und deutlich kleiner als die Anzahl N ist;

[1.1] Anordnen der M Gruppen der Leistungsmodule (34) in einem konzentrischen Muster (Fig. 4) um einen zentralen Punkt (A) der Gruppe herum;

[1.2] Gleichmachen der Ausgangsspannungsamplitude (E) der Leistungsmodule (34) innerhalb jeder Gruppe, aber unterschiedlich in unterschiedlichen Gruppen; und

[2] Wählen der Ausgangsspannungsamplitude (E) jeder Gruppe und einer Musterabmessung jeder Gruppe in Kombination derart, daß die Seitenkeulen-Verstärkung mindestens 30 dB unterhalb der Hauptkeulen-Verstärkung liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Anzahl M ungefähr gleich 5 ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, mit dem Schritt des Anordnens der M Gruppen der Leistungsmodule in der Weise, daß ihre äußeren Grenzen im wesentlichen elliptisch geformt sind, wobei jede Grenze eine große Halbachse der Länge ai und eine kleine Halbachse der Länge bi aufweist, wobei sich der Index "i" auf die i-te Grenze bezieht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das folgende Schritte umfaßt:

[1] Behandeln der M Gruppen der Leistungsmodule, als enthielten sie eine Überlagerung von M elliptisch geformten, überlappenden Zonen mit den gleichen Grenzen als entsprechende der M Gruppen der Module, wobei jeder der M Zonen eine Spannungsamplitude, Ei, zugeordnet ist, und

[2] Behandeln der Spannungsamplitude der Spannungsmodule in jeder der M Gruppen der Leistungsmodule als eine additive Überlagerung der Spannungsamplituden, Ei, der entsprechenden überlappenden Zonen, wobei sich der Index "i" auf die i-te Zone bezieht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, mit dem Schritt der Verwendung folgender Fernfeld-Gleichung, um Werte für die Zonen- Spannungsamplituden, Ei, und die Längen, ai und bi, der großen und der kleinen Halbachse der Zone zu erhalten, die bewirken, daß die Fernfeld-Seitenkeulenverstärkung mindestens 30 dB unterhalb der entsprechenden Fernfeld-Hauptkeulenverstärkung liegt:

G(0,Φ) = [f(0,Φ) (â&sub0; cos Φ - âΦ sin Φ cos 0)]²,

in der J&sub1; (ui) die Besselfunktion erster Ordnung ist, âR und âΦ Einheitsvektoren in den Kugelkoordinaten sind und k&sub0; die dem abgestrahlten Feld zugeordnete Wellenzahl ist.