DE3802662A1 - Phasengesteuerte antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Phasengesteuerte Antennen mit elektronischer Diagramm­ schwenkung und/oder -formung werden vor allem in der Radartechnik eingesetzt. Während für Rundsuchbetrieb der Antenne i.a. die mechanische Rotation der Antenne im Azimut mit einer elektronischen Diagrammschwenkung in der Elevation verbunden wird, erfordert der Einsatz im Multi­ funktionsbetrieb mit Betriebsarten wie z.B. Zielver­ folgung, Vermessen, "Look-Back", Strahlaufweitung, "Burn­ through"-Betrieb usw. eine elektronische Diagrammbeein­ flussung auch im Azimut.

Eine besonders einfache Ausführung von Gruppenantennen mit in zwei Dimensionen schwenkbarem Diagramm stellen die Hohlleiter-Schlitzantennen dar. Eine solche Antenne be­ steht üblicherweise aus einer Mehrzahl übereinander ange­ brachter geschlitzter Hohlleiter, die über eine gemeinsame Speisung angeregt werden. Am Eingang des Hohlleiters ist jeweils ein steuerbarer Phasenschieber angeordnet. Über die Einstellung dieser Phasenschieber kann das Antennen­ diagramm in der Elevation geschwenkt werden. Die Schwenkung im Azimut wird durch Frequenzänderung des Radars bewirkt ("frequency scanning"). Bei Bandbreiten von z.B. 10% können im Regelfall Schwenkwinkel von rund 10°, bei speziellen Hohlleiterkonstruktionen auch deutlich mehr erzielt werden. Durch den einfachen Aufbau und das geringe Gewicht und Volumen eignen sich solche Antennen vor allem zum Einbau in Flugzeuge. Der offensichtliche Nachteil dieser Antennen besteht darin, daß die Diagrammschwenkung nicht unabhängig von der Frequenzwahl ist und dadurch die Frequenzagilität weitgehend aufgehoben ist. Dies wiederum führt zu höherer Anfälligkeit gegen Störungen des Radars.

Radarantennen mit voller Frequenzagilität arbeiten deshalb auch im Azimut mit phasengesteuerter Diagrammschwenkung. Dabei wird die vom Speisenetzwerk auf die Strahlerelemente aufgeteilte Leistung mittels einer Vielzahl individuell elektronisch steuerbarer Phasenschieber auf die für die einzelnen Strahler gewünschten Phasenlagen eingestellt. Die damit erreichbare hohe Freiheit in der Wahl der Form und Ausrichtung des Antennendiagramms ist dabei aber mit Nachteilen hinsichtlich Gewicht, Preis und technischem Aufwand durch die hohe Zahl von Phasenschiebern behaftet. Antennen mit unterschiedlichem Aufbau der Speisenetzwerke und entsprechend variierenden Anordnungen der Phasen­ schieber sind z.B. aus Skolnik, Radar-Handbook, Kap. 11.7, 1970, bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine phasengesteuerte Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, die bei ein­ fachem Aufbau ein hohes Maß an Möglichkeiten zur elek­ tronischen Diagrammsteuerung bietet.

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

Die Erfindung benutzt die an sich bekannte Serien-Phasen­ schieber-Anordnung einer seriengespeisten Strahlerzeile (z.B. Skolnik, a.a.O.) und macht dabei vorteilhaften Gebrauch von der Erkenntnis, daß bei einer solchen Phasen­ schieber-Anordnung der Einstellbereich der einzelnen Phasenschieber gering sein kann, insbesondere bei Be­ schränkung des Schwenkbereichs des Diagramms auf einen Winkelbereich von nur einigen Keulenbreiten. Die Erfindung verbindet diese Erkenntnis mit der Kombination besonders einfach aufgebauter und platz- und gewichtsgünstiger, an sich bekannter Einzelkomponenten aus dem Stand der Technik, indem die Strahlerzeile als Hohlleiter-Schlitzan­ tenne ausgeführt ist und als Phasenschieber Hohlleiter­ sonden mit schaltbaren Dioden vorgesehen sind. Die Vor­ teile der Hohlleiter-Schlitzantenne sind bereits eingangs beschrieben. Die Verwendung schaltbarer Dioden als Hohl­ leiterphasenschieber ist beispielsweise in der DE-OS 37 17 568 beschrieben. Anders als bei der bekannten Hohl­ leiter-Phasenschieberanordnung mit Dioden brauchen bei dem erfindungsgemäßen Einsatz die einzelnen Dioden-Phasen­ schieber-Elemente nicht für sich in einem der beiden Schaltzustände leitwertkompensiert und paarweise im λ/4- Abstand reflexionsfrei angeordnet zu sein. Wegen der ausgedehnten Anordnung bei der seriengespeisten Hohl­ leiter-Schlitzantenne ist aber darauf zu achten, daß die Dioden-Abstände ungleich einer halben Hohlleiter-Wellen­ länge bleiben. Die reflektierten Wellen der Einzeldioden kompensieren sich dann, ohne eine Resonanzüberhöhung zu zeigen, während bei einem Diodenabstand gleich einer halben Hohlleiter-Wellenlänge ein Sperrband-Effekt auf­ treten kann.

Die eingeschränkte Steuerbarkeit der Dioden-Phasenschieber stellt durch den geringen Platzbedarf der Dioden und die dadurch mögliche hohe Anzahl von Dioden entlang einer Strahlerzeile keinen wesentlichen Nachteil dar. So kann z.B. eine über eine Zeile aufsummierte Phasenverschiebung von 300° ohne weiteres in 100 Phasenstufen von je 3° realisiert werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Abbildungen an Ausführungsbeispielen noch gesondert veranschaulicht.

Dabei zeigt:

Fig. 1 das bekannte System der Serien-Phasenschieber- Anordnung

Fig. 2 einen geschlitzten Hohlleiterabschnitt mit Phasenschieber-Dioden

Fig. 3 einen Hohlleiterquerschnitt mit im Hohlleiter angeordneter Diode

Fig. 4 einen Hohlleiterquerschnitt mit außerhalb des Hohlleiters angeordneter Diode

Fig. 5 eine Gruppenantenne mit mehreren Hohlleiter- Strahlerzeilen

Fig. 6 Beispiele für Phaseneinstellungen entlang einer Hohlleiterzeile

Fig. 7 eine Gruppenantenne mit Dioden-Phasenschiebern für beide Schwenkdimensionen

Fig. 1 zeigt die bekannte Serien-Phasenschieberanordnung (z.B. Skolnik, a.a.O.), bei welcher die Strahlerelemente A einer Strahlerzeile entlang einer Serienspeiseleitung L angeordnet sind und jeweils einen festgelegten Anteil der am Speisepunkt Sp eingespeisten und als Welle entlang der Speiseleitung L fortschreitenden Sendeleistung aus der Leitung L auskoppeln. Die Serien-Speiseleitung L ist an ihrem dem Speisepunkt abgewandten Ende abgesumpft (re­ flexionsfreier Abschluß R). Zwischen den einzelnen Strahl­ erelementen sind elektronisch einstellbare Phasenschieber Ph in die Leitung L eingefügt. Die relativen Phasen der von den einzelnen Antennenelementen abgestrahlten Wellen und damit auch die Form und Hauptstrahlrichtung des An­ tennendiagramms sind bestimmt durch den Abstand der Ein­ zelstrahler, die Hohlleiterwellenlänge der Betriebsfre­ quenz und die Einstellung der Phasenschieber.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung. Ein Rechteckhohlleiter H als Serienspeiseleitung weist in seiner Schmalseite Hohl­ leiter-Schlitzstrahler HS auf. Parallel zum elektrischen Feldvektor der Hohlleitergrundwelle ausgerichtet sind glasgehäuste Dioden D mit langgestreckten axialen An­ schlußdrähten Dr so im Hohlleiter angeordnet, daß der eine Anschlußdraht galvanisch mit einer Hohlleitergrundseite verbunden, der andere Anschlußdraht über eine nicht einge­ zeichnete Hochfrequenz-Sperre durch die gegenüberliegende Hohlleitergrundseite hindurchgeführt ist. Die Anschluß­ drähte der Dioden dienen zum einen zur mechanischen Be­ festigung der Dioden im Hohlleiter, und zur Gleichstromzu­ führung zu den Dioden, zum anderen aber auch gleichzeitig als Sonden, über die die Dioden an das elektrische Feld der Hohlleiterwelle ankoppeln. Die Durchführung isoliert den einen Anschlußdraht galvanisch gegen den Hohlleiter, bildet aber eine HF-Verbindung zwischen Draht und Hohl­ leitergrundseite. Der Ort der Dioden im Hohlleiter be­ stimmt das (Transformations-)Verhältnis zwischen der Diodenspannung und der Wellenamplitude im Hohlleiter. Über die Gleichstromzuführung können die Dioden einzeln mit einer Sperrspannung oder einem Durchlaßstrom beaufschlagt und damit zwischen zwei Blindleitwerten für Hochfrequenz umgeschaltet werden. Für die im Hohlleiter fortschreitende Welle bewirkt die Belastung des Hohlleiters mit einem Blindleitwert eine Phasenverschiebung. Die Differenz der in den beiden Dioden-Schaltzuständen vorliegenden Blind­ leitwerte bestimmt die Differenz der wirksamen Phasenver­ zögerung durch die Diode und damit den mit der Diode schaltbaren Phasenhub. Durch die kleine Bauform der Dioden können auch mehrere Dioden auf der Länge eines Strahlerab­ stands angeordnet sein.

Eine alternative Anordnung der Dioden zeigt Fig. 4, wo die Diode D als auf einem Mikrowellensubstrat B befestigte Chip-Diode außerhalb des Hohlleiters angeordnet ist und über einen Stift S als Sonde an die Hohlleiterwelle an­ koppelt. Die Dioden sind vorzugsweise PIN-Dioden.

Einen Querschnitt durch einen Hohlleiter mit in der Breit­ seite angebrachten Hohlleiter-Schlitzstrahlern HS zeigt

Fig. 3. Die Anordnung von glasgehäusten Dioden zwischen den Hohlleiter-Breitseiten kann in diesem Fall Probleme aufwerfen. Durch einen zusätzlichen metallischen Steg St in Ausbreitungsrichtung der Hohlleiterwelle an der den den Schlitzen gegenüberliegenden Breitseite des Hohlleiters wird das elektrische Feld verzerrt, so daß auch eine zwischen Steg und einer Hohlleiter-Schmalseite angeordnete Diode mit ihren Anschlußdrähten an das Feld der Hohl­ leiterwelle ankoppeln kann.

Der Aufbau einer zweidimensional schwenkenden phasenge­ steuerten Antenne mit Schlitzhohlleitern ist in Fig. 5 skizziert. Die Sendeleistung wird über ein vertikales Verteilungsnetzwerk SV auf die übereinanderliegenden horizontalen Schlitz-Hohlleiterzeilen HZ verteilt. Die Hohlleiterzeilen sind einseitig gespeist und am anderen Ende abgesumpft. Die relative Phasenlage der verschiedenen Zeilen und damit die Form und Ausrichtung des Antennen­ diagramms in der Elevation wird durch die Elevations- Phasenschieber PE eingestellt. Die Hohlleiterzeilen seien sowohl hinsichtlich der (nicht eingezeichneten) Schlitz­ strahler als auch der Phasenschieber-Dioden identisch aufgebaut, so daß die Dioden spaltenweise übereinander­ liegen. Bei einer derartigen Anordnung sind die Dioden bevorzugt spaltenweise über eine gemeinsame Steuerleitung und von einer gemeinsamen Dioden-Treiberschaltung zusammen angesteuert, wodurch eine erhebliche Einsparung bei den Treiberschaltungen erzielt werden kann.

Die Fig. 7 zeigt einen Aufbau einer Antenne mit mehreren Hohlleiterzeilen, bei welcher im Unterschied zur Antenne nach Fig. 5 auch das vertikale Verteilungsnetzwerk als Schlitzhohlleiter HE mit Diodenphasenschiebern ausgeführt ist. Die Schlitze HSE des Vertikalhohlleiters HE strahlen in diesem Fall nicht ab, sondern speisen die Zeilenhohl­ leiter HZ.

Außer bei Strahlerzeilen mit fortschreitenden Wellen kann das Prinzip der Dioden-Hohlleiterphasenschieber auch auf Hohlleiter-Schlitzantennen mit stehenden Wellen angewandt werden. Dabei weist der Hohlleiter an dem dem Speisepunkt abgewandten Ende einen Kurzschluß auf, die Strahler-Schlitze sind im gegenseitigen Abstand einer halben Hohlleiterwellen­ länge entlang des Hohlleiters angeordnet. Es entsteht eine Antennenkeule mit Hauptstrahlrichtung senkrecht zur Strahlerzeile. Solche Antennen sind üblicherweise auf eine sehr geringe Betriebsfrequenz-Bandbreite festgelegt, da sich bei einer Frequenzänderung durch den Frequenz-Schwenk-Effekt der vorlaufenden und der rücklaufenden Wellen im Hohlleiter die Antennenkeule aufweitet bis hin zur Bildung von zwei getrennten Keulen symmetrisch zur Zeilennormalen. Durch Anordnung der Dioden-Phasenschieber im Hohlleiter kann der Frequenz-Schwenk-Effekt der gegenläufigen Hohlleiterwellen zumindest in einem eingeschränkten Frequenzbereich kompen­ siert und die Bandbreite solcher Antennen vergrößert werden. Dies gilt auch für Mittenspeisung und Summe/Differenz-Spei­ sung (Monopuls) solcher Antennen.

Zwei der möglichen Verläufe der durch die Dioden bewirkten relativen Phasenverschiebung Δ⌀ entlang eines Schlitzhohl­ leiters mit Durchnummerierung der Dioden zeigt Fig. 6. Mit d⌀ ist der Phasenhub eines einzelnen Dioden-Phasenschieb­ erelements bezeichnet. Die Treppenkurve (a) und die Grund­ linie (Δ⌀=0) stellen die beiden möglichen Extrempositionen des Diagrammschwenkbereichs mit linearem Phasenverlauf entlang der Strahlerzeile dar und entsprechen den Schalt­ zuständen mit allen Dioden eingeschaltet bzw. allen Dioden ausgeschaltet. Die Kurve (b) repräsentiert eine Zwischen­ stellung der Diagrammschwenkung und ist realisiert durch Einschalten von nur wenigen Dioden (z.B. Nr. 2, 6, 10,...). Selbstverständlich können auch nichtlineare Phasenverläufe durch stufenförmige Phasenverschiebungs­ progression angenähert werden. Mit den einfach und kosten­ günstig aufgebauten, platz- und gewichtssparenden Antennen nach der Erfindung kann so auf einfache Weise eine be­ schränkte phasengesteuerte Diagrammschwenkung erreicht werden. Bei Frequenzagilität kann der Frequenz-Schwenk- Effekt der Hohlleiter-Schlitzantennen durch die Dioden- Phasenschieber kompensiert oder verändert werden. Auch andere Betriebsarten wie eingangs bereits angeführt (look-back, burn-through, Strahlaufweitung,...) sind ohne weiteres möglich.

Claims (9)

1. Phasengesteuerte Antenne mit in einer oder mehreren Strahlerzeilen angeordneten Strahlerelementen, die inner­ halb einer Strahlerzeile über eine Serienspeisung mit zwischen den Strahlerelementen in die Speiseleitung einge­ fügten, von einer Phasensteuereinrichtung elektronisch steuerbaren Phasenschiebern mit einem gemeinsamen Speise­ punkt verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung als Hohlleiter und die Strahlerelemente als Schlitzstrahler im Speisehohlleiter ausgeführt sind, und daß als Phasenschieber im Hohlleiter an das elektrische Feld der Hohlleiterwelle koppelnde Sonden mit schaltbaren Dioden mit je nach Schaltzustand der Dioden unterschied­ licher reaktiver Belastung des Hohlleiters eingesetzt sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dioden glasgehäuste Dioden mit langgestreckten axialen Anschlußdrähten, die als Koppelsonden und als Gleichstrom­ zuführung zu den Dioden dienen, im Hohlleiter eingesetzt sind.

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden außerhalb des Hohlleiters angeordnet und die Koppelsonden durch die Hohlleiterwand hindurchgeführt sind.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß PIN-Dioden eingesetzt sind.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzstrahler in der Schmalseite eines Rechteckhohlleiters angeordnet sind und die Koppel­ sonden parallel zu dieser Schmalseite senkrecht zur Aus­ breitungsrichtung der Hohlleiterwelle verlaufen.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzstrahler in der Breitseite eines Rechteckhohlleiters angeordnet sind, daß an der gegenüberliegenden Breitseite ein metallischer Steg im Hohlleiter in Ausbreitungsrichtung der Hohlleiterwelle vorhanden ist und daß die Koppelsonden im wesentlichen von einer Hohlleiterschmalseite in Richtung des Stegs ver­ laufen.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisehohlleiter am Ende kurz­ geschlossen ist.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus mehreren übereinander­ liegenden identisch aufgebauten Strahlerzeilen aufgebaut ist und daß die einander entsprechenden Dioden verschied­ ener Zeilen spaltenweise gemeinsam angesteuert werden.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus mehreren übereinander­ liegenden Strahlerzeilen besteht, die aus einem gemein­ samen Speisenetzwerk gespeist werden, und daß das Speise­ netzwerk gleichfalls als Schlitzhohlleiter mit Koppel­ sonden und schaltbaren Dioden ausgeführt ist.