DE3803779A1

DE3803779A1 - Radarantenne

Info

Publication number: DE3803779A1
Application number: DE19883803779
Authority: DE
Inventors: Tiang-Gwan Dipl Ing Liem; Alois Dipl Ing Rupp; Albert Schlaud; Klaus Dr Solbach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1988-02-09
Publication date: 1989-08-17
Anticipated expiration: 2008-02-10
Also published as: DE3803779C2

Description

Die Erfindung geht von einer Radarantenne der im Ober begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art aus.

Eine solche Radarantenne ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 28 55 623. Bei der bekannten Anordnung sind zwei gleich aufgebaute Verzweigungsnetzwerke für orthogonale Polarisationen der abgestrahlten Wellen vorgesehen. Die Strahlerelemente sind in der Antennenapertur in horizon talen übereinanderliegenden Zeilen angeordnet. Jedes Verzweigungsnetzwerk weist eine vertikale Spaltenvertei lung zur Aufteilung der über eine gemeinsame Speiseleitung zugeführten Sendeleistung auf die verschiedenen Strahler zeilen sowie für jede Strahlerzeile eine Zeilenverteilung zur Verteilung der aus der Spaltenverteilung für die Strahlerzeile ausgekoppelten Sendeleistung auf die ein zelnen Strahlerelemente auf. Zur elevationalen Strahlformung und -schwenkung ist jeweils am Eingang einer Zeilenver teilung ein elektronisch steuerbarer Phasenschieber ange ordnet. Außerdem ist vorgesehen, durch zusätzliche Phasen schieber in den Zeilenverteilungen, mit welchen die Strahler einer Zeile gruppenweise mit unterschiedlichen Phasenlagen betrieben werden können, in geringem Umfang auch azimutale Form und/oder Richtung des Diagramms zu variieren. Empfangene Signale werden über dieselben Verteilungen der gemeinsamen Speiseleitung und über eine Sende-Empfangs-Weiche dem Radarempfänger zugeführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Antenne dieser Art mit geringem Aufwand die Möglich keiten der Diagrammsteuerung wesentlich zu erweitern.

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

Die erfindungsgemäße Radarantenne ermöglicht durch die Kombination der 3dB-Koppler mit den umgeschalteten Phasen schiebern und durch das zusätzliche Empfangs-Spaltennetz werk eine von der Spaltenverteilung unabhängige Gestaltung der elevationalen Diagrammform, insbesondere eine Eleva tions-Monospulauswertung und unter Beibehaltung der bei der bekannten Radarantenne bereits vorhandenen Sende- Empfangs-Weiche und einem daran angeschlossenen Empfänger auch eine Azimut-Monopulsauswertung.

Das Empfangs-Spaltennetzwerk braucht nur für die geringe Leistung der Empfangssignale dimensioniert zu werden und kann daher vergleichsweise aufwandsarm ausgeführt sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Abbildungen an Ausführungsbeispielen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 den Aufbau einer bekannten Antenne,

Fig. 2 eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Antenne,

Fig. 3 den Signalverlauf für eine Strahlerzeile im Sende- und Empfangsbetrieb.

Die bekannte Antenne gemäß Fig. 1 sei beispielsweise eine mechanisch rotierende Gruppenantenne mit elektronischer Diagrammschwenkung in der Elevation. Die vom Sender abge gebene Sendeleistung wird über die Sende-Empfangs-Weiche S/E (z. B. Zirkulator) und die allen Strahlern gemeinsame Speiseleitung SL der Spaltenverteilung SV zugeführt. Die Strahler der Antenne sind in mehreren übereinanderliegen den Strahlerzeilen Z angeordnet und über jeweils eine Zeilenverteilung ZV mit einer Zeilenspeiseleitung ZL ver bunden. Über die Spaltenverteilung SV wird den Zeilen speiseleitungen der für die jeweilige Strahlerzeile vorge sehene Sendeleistungsanteil zugeführt, wobei in die Zeilenspeiseleitungen elektronisch steuerbare Phasen schieber PH eingefügt sind. Mittels der Phasenschieber PH kann die Form und die Hauptstrahlrichtung des Antennen diagramms eingestellt und auch von Radarperiode zu Radar periode variiert werden. Die Einstellung der Phasen schieber erfolgt durch eine Phasensteuereinheit PE, welche nach Vorgabe von gewünschter Form (Halbwertsbreite) und Hauptstrahlrichtung des Antennendiagramms in der Elevation die Einstellwerte für die Phasenschieber PH erzeugt. Bei der bekannten Antenne sind auch weitere Phasenschieber PZ in den Zeilenverteilungen vorgesehen, mit deren Hilfe die Phasenlagen an den Einzelstrahlern St für Gruppen von Einzelstrahlern unterschiedlich eingestellt werden können, woraus z. B. in begrenztem Umfang die als "look- back" bekannte Betriebsart möglich ist. Die Steuer leitungen zu den Phasenschiebern PZ sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Im Unterschied dazu weist die in Fig. 2 skizzierte Antenne an den Ausgängen der Spaltenverteilung zu den verschie denen Strahlerzeilen jeweils einen 3dB-90°-Koppler K (Hybrid) auf, dessen einer Eingang mit dem jeweiligen Zeilenanschluß der Spaltenverteilung verbunden ist. Die Strahlerzeile ist in zwei Hälften aufgeteilt, und die Einzelstrahler jeder Halbzeile sind jeweils in einer von zwei getrennten Halbzeilen-Verteilungen HVL und HVR zu sammengefaßt. Dementsprechend gibt es zwei Zeilenspeise leitungen LL und LR, die über eine Doppelphasenschieberan ordnung PD mit den beiden Ausgängen des Kopplers K ver bunden sind. Der zweite Eingangsanschluß des Kopplers K ist mit einem Anschluß einer Empfangs-Spaltenverteilung EV verbunden, die alle Empfangssignale an den zweiten Ein gängen der Koppler K aus allen Zeilen zu einer oder meh reren Empfangsspannungen zusammenfaßt und einem Empfänger E 1 zuführt. Die Phasensteuereinheit und die Steuer leitungen zu den Phasenschiebern sind wiederum aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Die Fig. 3 gibt für eine Strahlerzeile die relativen Pegel und Phasenlagen der Signale an den Toren der Koppler K und auf den Zeilenspeiseleitungen im Sendefall (a) und Emp fangsfall (b und c) wieder. Die Doppelphasenschieberan ordnung PD enthält zwei Phasenschieber PL und PR für die linke bzw. rechte Hälfte der Strahlerzeile. Dabei ist zur Vereinfachung angenommen, daß die Hauptstrahlrichtung des Antennendiagramms senkrecht zur Antennenfläche verlaufe, daß also die Strahler der linken und der rechten Halbzeile gleichphasig gespeist sind.

Im Sendefall wird die am Tor 1 des Kopplers eingespeiste Sendeleistung, deren Pegel mit 0 dB und deren Phasenlage mit 0° zugrunde gelegt seien, zu gleichen Teilen (-3 dB) auf die Tore 3 und 4 aufgeteilt, wobei der Leistungsanteil an Tor 3 (in-phase-Ausgang) phasengleich (0°), der Leistungsanteil am Tor 4 (Quadratur-Ausgang) um 90° phasennacheilend (-90°) bezogen auf das eingespeiste Signal auftritt. Dieser Phasenunterschied wird durch die Differenz der Phasenverzögerungen 0° im Phasenschieber PL und +90° im Phasenschieber PR wieder ausgeglichen, so daß die an den Ausgängen der Phasenschieber an die Halbzeilen- Verteilungen abgegebenen Leistungsanteile wieder phasen gleich sind.

Im Empfangsfall werden die Phasenschieber so eingestellt, daß die Differenz der Phasenverzögerungen in PL und PR um 180° gegenüber dem Sendefall verschieden ist. Hierzu wird im Beispielsfall die Phasenverzögerung im Phasenschieber PL wieder auf 0°, die im anderen Phasenschieber aber auf -90° eingestellt. Die aus der (im Beispiel als Haupt strahlrichtung angenommenen) azimutalen Antennennormale einfallenden Wellen (Echos) erregen alle Einzelstrahler St gleichphasig, während bei Einfallsrichtungen abseits der Antennennormale eine Phasenprogression entlang der Strahlerzeile auftritt. Dies führt dazu, daß bei abseits der Antennennormale einfallenden Wellen auch die zusammen gefaßten Empfangssignale auf den Leitungen LL und LR nicht phasengleich sind. Die relative Phasenlage ist ein Maß für die Ablage der Einfallsrichtung von der Antennennormalen. Die Empfangssignale auf den Leitungen LL und LR lassen sich als aus leistungsgleichen und gleichphasigen und aus leistungsgleichen und gegenphasigen Anteilen bestehend darstellen, entsprechend dem Empfang über das Summendia gramm bzw. das Differenzdiagramm einer Monopulsantenne. Der Signalverlauf der gleichphasigen Anteile ist in Fig. 3b, der der gegenphasigen in Fig. 3c dargestellt. Dabei ist jeweils für den auf der Leitung LL geführten Anteil ein Pegel von -3 dB und die Phasenlage 0° zugrunde gelegt. Die gleichphasigen Anteile (Fig. 3b) erleiden bei Durch laufen der Phasenschieber PL bzw. PR eine um 90° ver schiedene Phasenverzögerung, wobei der dem Tor 4 des Kopplers zugeführte Anteil phasennacheilend ist. Im Koppler werden dadurch beide Leistungsanteile vollständig auf das Tor 2 ("Eingang") geführt. Die gegenphasigen Anteile (Fig. 3c) erleiden gleichfalls eine um 90° ver schiedene Phasenverzögerung in den Phasenschiebern PL und PR. In diesem Fall bewirkt dies aber eine Phasennacheilung um 90° des Anteils am Tor 3 des Kopplers, so daß diese beiden Anteile vollständig auf das Tor 1 geführt werden.

Die Kombination der Phasenschieber mit den 3 dB-90°-Kopp lern führt also im Empfangsfall zu einer Trennung der dem Empfang über das Summendiagramm und das Differenzdiagramm einer Monopulsantenne entsprechenden Empfangsleistungen einer Strahlerzeile. Die Zeilen-Summenspannungen der Tore 2 aller Koppler werden einem Empfangs-Spaltennetzwerk zugeführt. Dies kann im einfachsten Fall eine gleich phasige Zusammenfassung aller Zeilen-Summenspannungen, vorzugsweise aber ein Monopuls-Netzwerk zur elevationalen Monopulsauswertung enthalten. Das Netzwerk kann auch für komplexere Verarbeitung der Empfangssignale bis hin zur digitalen Diagrammsynthese und Super-Auflösung für jede einzelne Zeilen-Summenspannung oder für gruppenweise zusammengefaßte Spannungen getrennte Empfänger aufweisen.

Die Zeilen-Differenzspannungen an den Toren 1 der Koppler K werden in der Spaltenverteilung SV zusammengefaßt und können wie bei der bekannten Antenne über eine Sende- Empfangsweiche einem weiteren Empfänger E 2 zugeführt werden. Die dabei gewonnene Empfangsspannung entspricht dem Empfang über das azimutale Differenzdiagramm der gesamten Antenne und kann zusammen mit der Monopuls-Sum menspannung aus dem Empfangs-Spaltennetzwerk EV zur ge naueren Richtungsbestimmung im Azimut mittels einer Mono puls-Verarbeitung herangezogen werden.

Bei dem erläuterten Beispiel wurde von einer Hauptstrahl richtung ( = Maximum des Monopuls-Summendiagramms) in Richtung der Antennennormale ausgegangen. Für eine Schwenkung des Diagramms in der Elevation ist bei der Einstellung der Phasenschieber ein entsprechender, für beide Phasenschieber PL und PR einer Strahlerzeile gleicher Phasenwert Φ _E zusätzlich zu berücksichtigen. Entsprechend ist für eine allerdings nur begrenzt auf etwa ±¹/₂ Keulenbreite mögliche Diagrammschwenkung im Azimut eine zusätzliche Phasendifferenz Φ _A zwischen den beiden Phasenschiebern PL und PR einer Strahlerzeile zu berück sichtigen, so daß beispielsweise der Phasenschieber PL einer einzelnen Zeile im Sende- und Empfangsfall auf eine Phasenverzögerung Φ _E, der Phasenschieber PL im Sendefall auf Φ _E + Φ _A + 90°, im Empfangsfall auf Φ _E + Φ _A - 90° eingestellt wird.

Durch die Kombination der 3 dB-90°-Koppler mit den Doppel phasenschiebern und deren Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsphase ergibt sich so eine erhebliche Verbesserung der Richtungsauflösung bei geringem Zusatzaufwand. Die Notwendigkeit des Umschaltens der Phasenschieber zwischen Sende- und Empfangsphase bedeutet darüber hinaus im allge meinen keinen zusätzlichen Nachteil, da die üblicherweise benutzten nichtreziproken Phasenschieber eine Umschaltung ohnehin erfordern.

Claims

1. Radarantenne mit einer Mehrzahl in Zeilen und Spalten angeordneter Strahler, mit einer Spaltenverteilung zur Aufteilung der über eine gemeinsame Speiseleitung zuge führten Sendeleistung auf die verschiedenen Strahler zeilen, mit je einer Zeilenverteilung pro Strahlerzeile zur Verteilung der über die Spaltenverteilung zugeführten Sendeleistung auf die einzelnen Strahlerelemente, mit elektronisch steuerbaren Phasenschiebern und mit einer Phasensteuereinheit, die die Phasenschieber nach Maßgabe einer veränderlich vorgebbaren Form und Hauptstrahlrich tung des Antennendiagramms einstellt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) zu jeder Strahlerzeile ist ein 3 dB-90°-Koppler vor gesehen, dessen einer Eingang mit der Spaltenver teilung verbunden ist,
b) an den beiden Ausgängen jedes Kopplers ist je einer der steuerbaren Phasenschieber angeordnet,
c) jede Zeilenverteilung besteht aus zwei Halbver teilungen, die je eine Hälfte der Strahlerzeile versorgen und über einen der Phasenschieber jeweils mit einem der beiden Ausgänge des Kopplers verbunden sind,
d) die Differenz der Phasenverzögerungen in den beiden Phasenschiebern an den Ausgängen eines Kopp lers wird in der Empfangsphase auf einen um 180° gegenüber der Sendephase unterschiedlichen Wert eingestellt,
e) die zweiten Eingänge der 3 dB-90°-Koppler sind an ein Empfangs-Spaltennetzwerk angeschlossen.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale in dem Empfangs-Spaltennetzwerk gleichphasig zusammengefaßt werden.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Empfangs-Spaltennetzwerk eine Monopuls-Zu sammenfassung der Empfangssignale zu einer Summenspannung und einer Elevations-Differenzspannung umfaßt.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Eingang des Empfangs-Spalten netzwerks ein Empfänger angeordnet ist.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Speiseleitung über eine Sende-Empfangsweiche an einen Empfänger angeschlossen ist, der mit Einrichtungen zur azimutalen Monopulsauswertung verbunden ist.