DE3902739C2 - Radar-Gruppenantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Radar-Gruppenantenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine derartige Radargruppenantenne ist beispielsweise in den Konferenzberichten der "IEEE International Radar Conference", 4/1975, S. 382 bis 384, beschrieben. Bei der bekannten Antenne sind die Strahlerelemente in Zeilen zu­ sammengefaßt und je ein Phasenschieber wirkt auf eine komplette Zeile. Jeweils zwei Zeilen werden aus einem 3dB- Koppler gespeist, wobei die eine Zeile nur Strahlerelemente einer Polarisationsrichtung, die andere Zeile nur Strahler­ elemente der dazu orthogonalen Polarisationsrichtung ent­ hält. Je zwei Strahlerelemente sind in einem Dual-Pola­ risations-Strahler zusammengefaßt. Die ersten Eingangstore der 3dB-Koppler sind mit einer allen Strahlerelementen gemeinsamen Vertikal-Speisung verbunden, welche über eine Sende-Empfangs-Weiche an einen Sender und einen Empfänger angeschlossen ist. Mittels der elektronisch steuerbaren Phasenschieber kann das Richtdiagramm in Form und Richtung in der Elevation eingestellt und die Polarisation der abge­ strahlten und/oder empfangenen Wellen beliebig umgeschaltet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, für eine derartige Antenne eine mit geringem Aufwand auszuführende Modifikation zur erweiterten Diagrammsteuerung anzugeben.

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

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Antenne,

Fig. 2 eine Prinzipskizze der Signalüberlagerung,

Fig. 3 eine spezielle Ausführung eines Verteilungsnetz­ werks.

Die in Fig. 1 skizzierte Antenne enthalte eine Vielzahl von in horizontalen Doppelzeilen Z1 bis ZN angeordneten Dual- Polarisations-Strahlern St. Jeder dieser Strahler umfaßt zwei orthogonal zueinander polarisierte Strahlerelemente. Als Beispiel sei angenommen, daß das eine dieser beiden Strahlungselemente je Strahler St linear polarisierte Strahlung mit um θ⁺ = +45° gegen die Vertikale geneigter Polarisationsrichtung, das andere Strahlungselement die dazu orthogonal mit θ^- = -45° polarisierte Strahlung ab­ strahlen und aufnehmen kann. Zu jeder Strahlerdoppelzeile gehören zwei gleich aufgebaute Zeilenverteilungen ZV, wobei die eine Zeilenverteilung alle Strahlerelemente mit θ⁺, die andere Zeilenverteilung alle Strahlerelemente mit θ^- mit dem jeweiligen Verteilungseingang verbindet.

Die vertikale Verteilung der Sendeleistung eines Senders T auf die einzelnen Strahlerzeilen erfolge über eine Speise­ leitung (Vertikalverteilung) V1 mit einer der Anzahl der Doppelzeilen gleichen Zahl von Zeilenausgängen. Die zu einer Doppelzeile von der Vertikalverteilung abgegebene Leistung wird einem ersten Eingangstor eines 3dB-Kopplers K zuge­ führt, der die eingespeiste Leistung zu gleichen Anteilen auf seine zwei Ausgangstore aufteilt. Die beiden Leistungs­ anteile werden über steuerbare Phasenschieber P1⁺ bzw. P1^- auf die Eingänge der beiden zu der Strahlerdoppelzeile gehörenden Zeilenverteilungen ZV und über diese zu den Strahlerelementen der Doppelzeile geleitet. Mittels der steuerbaren Phasenschieber können sowohl die Polarisation einer abgestrahlten Welle als auch Form und Richtung des Diagramms in der Elevation eingestellt werden. Soll auch im Azimut eine Diagrammbeeinflussung möglich sein, so sind anstelle von oder zusätzlich zu den eingezeichneten Phasen­ schiebern noch weitere Phasenschieber innerhalb der Zeilen­ verteilungen vorzusehen.

Wesentlich für die weiteren Betrachtungen ist die Wirkungs­ weise der 3dB-Koppler K und die Einstellung der Phasen­ schieber P1⁺ und P1^- (bzw. P2⁺, P2^-, . . .usw. für die anderen Doppelzeilen). Die an einem Eingangstor (z. B. I) eines 3dB-Kopplers eingespeiste Leistung wird zu zwei gleichen Leistungsanteilen aber mit 90°-Phasendifferenz auf die beiden Ausgangstore (III, IV) aufgeteilt. Das zweite Ein­ gangstor (II) ist vom ersten entkoppelt. Für eine in Gegen­ richtung laufende Welle ist die Wirkung von Eingangs- und Ausgangstoren vertauscht. Die elevationale Verteilung und die Polarisation der von den Strahlerelementen abge­ strahlten Leistung ist maßgeblich bestimmt durch den Verlauf der Phaseneinstellwerte der Phasenschieber an den Eingängen der Zeilenverteilungen für gleich polarisierte Strahlerelemente. Der Verlauf der eingestellten Phasenwerte in den Phasenschiebern P1⁺, P2⁺. . . zu mit θ⁺ polarisierten Strahlerelementen von Zeile zu Zeile legt Form und Richtung des Diagramms für die mit Polarisation θ⁺ abgestrahlten Wellen fest. Entsprechendes gilt für die Phasenschieber P1^-, P2^-, usw. zu der orthognalen Polarisation θ^-. Für unterschiedliche Verläufe der Phaseneinstellwerte in den Phasenschiebern zur Polarisation θ⁺ einerseits und θ^- andererseits ergeben sich zwei in elevationalen Verlauf unterschiedliche Diagramme für die beiden Polarisationen. Bei identischen oder um einen über alle Doppelzeilen kon­ stanten Versatz gleichen Phasenverläufen zu den beiden Polarisationen resultiert ein einheitliches Diagramm, dessen Polarisation durch die Phasendifferenz der von den zwei Strahlerelementen eines Strahlers abgestrahlten Wellenanteile gegeben ist. Diese Phasendifferenz ist wiederum zu­ sammengesetzt aus der in den Kopplern bewirkten 90°-Phasenverschiebung und dem in den Phasenschiebern eingestellten Versatz der Phasenverläufe zu den beiden Polarisationen θ⁺ und θ^-. Für einen Phasenversatz von +90° oder -90° resultiert für das einheitliche Diagramm eine horizontale bzw. vertikale Polarisation, für 0° oder 180° eine rechts bzw. links zirkulare Polarisation und für Zwischenwerte elliptische Polarisation.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Verlauf der Signalwege für den Empfangsfall skizziert, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die Empfangssignale einer Doppelzeile einge­ tragen sind. Die von allen mit θ⁺ polarisierten Strahler­ elementen einer Doppelzeile aufgenommenen Wellen werden mittels einer Zeilenverteilung ZV zu einem Empfangssignal S⁺, die der mit θ^- polarisierten Strahlerelemente zu einem Empfangssignal S^- zusammengefaßt. Die Phasenschieber zu den beiden Polarisationen seien auf die Werte ϕ⁺ bzw. ϕ^- einge­ stellt. Das am Ausgangstor III des Kopplers K eingespeiste Empfangssignal S⁺·e^{j ϕ}⁺ erscheint am Eingangstor I als Signalanteil

und am Eingangstor II als gleich größer, aber um 90° phasenverschobener Signalanteil j·S⁺·e^{j ϕ}⁺. Entsprechendes gilt für das am Tor IV ein­ gespeiste Empfangssignal S^-, so daß an den Eingangstoren I und II des Kopplers die Signale

und

vorliegen. Das Signal SI wird (nach Fig. 1 über die Speiseleitung V1 und den als Sende-Empfangs-Weiche eingesetzten Zirkulator Z) auf den Eingang des Empfängers E1 geführt, das Signal SII (über die Empfangsleitung V2 in Fig. 1) auf den Eingang des weiteren Empfängers E2. Die Ausgangssignale der beiden Empfänger werden digitalisiert und als Digitalsignale S1 und S2 einer Einrichtung PR zur Signal­ überlagerung, vorzugsweise einem digitalen programmierbaren Prozessor, zugeführt. Für die Überlagerung der Signale S1 und S2 können sowohl die Amplituden der Signale S1 und S2 mit Faktoren a und b gewichtet als auch die Phasenlagen durch die Faktoren e^{j ϕ}a bzw. e^{j ϕ b} (mit ϕa bzw. ϕb als Phasendrehwinkeln) beeinflußt werden. Die Empfängerausgangs­ signale liegen vorzugsweise in für moderne Radaranlagen gebräuchlicher komplexer Form in einem I- und einem Q-Kanal vor. Die im Prozessor PR mit Amplituden- und Phasenfaktoren multiplizierten Empfangssignale werden summiert und als Ausgangssignal B ausgegeben.

Durch Vorgabe der Faktoren a, b, e^{j d}a und e^{j ϕ b} kann weit­ gehend festgelegt werden, mit welchen Anteilen die pola­ risationsgetrennten Ausgangssignale S⁺, S^- der Zeilenver­ teilungen ZV in das kombinierte Signal B eingehen.

Es läßt sich auf einfache Weise zeigen, daß für die in Fig. 2 angenommene Zusammensetzung der Empfängereingangssignale SI und SII bzw. der digitalen Signale S1, S2 aus der Wahl der Faktoren zu a=b, ϕ_a=0 und ϕ_b=90° ein Ausgangssignal B resultiert, das nur noch das Empfangssignal S⁺ enthält. In entsprechender Weise ergibt sich bei a=b, ϕ_a=0 und ϕ_b=-90° ein Ausgangssignal, das nur noch das Empfangssignal S^- enthält. Bei der Wahl der Faktoren können auch von den Idealwerten abweichende und frequenzabhängige Phasenver­ schiebungen und Teilerverhältnisse der Koppler K sowie unterschiedliche Eigenschaften der beiden Empfangskanäle (Empfänger, Zirkulator) ausgeglichen werden. Dazu kann z. B. ein Testsignal in eine Antennenzeile eingespeist und aus den gemessenen Empfangssignalen, vorzugsweise nach den Analog/Digital Wandlern, ein Satz optimaler Faktoren für die Signalüberlagerung in der Einrichtung PR abgeleitet werden.

Das anhand der Fig. 2 für die Empfangssignale einer Doppelzeile abgeleitete Verhalten gilt analog für die nach Fig. 1 aus der Zusammenfassung aller Doppelzeilen- Empfangssignale in den Vertikalverteilungen V1 und V2 entstehenden Eingangssignale der Empfänger. Die skizzierte Antenne ist damit sowohl in der Lage, mit zwei getrennten Richtdiagrammen mit zueinander orthogonalen Polarisationen als auch, z. B. für Weitbereichs-Suchbetrieb, mit einem einzigen Richtdiagramm in wählbarer Polarisation zu arbeiten und die Empfangssignale polarisationsselektiv auszuwerten. Vorteilhafterweise werden bei der Signal­ überlagerung zwei Ausgangssignale (B) gebildet, welche dem Empfang über die getrennten Richtdiagramme bei Zwei-Dia­ gramm-Betrieb oder in zwei orthogonalen Polarisationen beim Mono-Diagramm-Betrieb entsprechen.

Die Polarisationen können dabei über die Faktoren in der Einrichtung PR eingestellt werden. Dies ermöglicht günstigerweise auch die polarisationsselektive Ausblendung von Störern. Da die Empfangs-Polarisation über die Faktoren in der Einrichtung PR gewählt werden kann, brauchen die Phasenschieber nur für das gewünschte Sende­ signal eingestellt zu werden und eine Phasenschieber-Um­ schaltung zwischen Sende- und Empfangsphase kann ent­ fallen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die Ver­ tikalverteilungen V1 und/oder V2 als sogenannte angepaßte Verteilungen, d. h. als Serien-Hohlleiterverbindungen mit Richtkoppler-Ausgängen (RK) ausgeführt und durch eine zusätzliche Verteilung V3 zu einer aus der Literatur (A.R. Lopez, "Monopulse Networks for Series Feeding an Array Antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-16, No. 4, July 1968, S. 436-440) als Leitern-Netz­ werk bekannten Monopuls-Verteilungsstruktur ergänzt werden (Fig. 3). Bei Verwendung von reziproken Phasenschiebern und unter der Annahme idealen Aufteilungsverhaltens der 3dB-Koppler K kann dann beispielsweise auch unmittelbar die elevationale Differenzverteilung Δ E1 der zum Sendesignal gleichsinnig und/oder gegensinnig polarisierten Empfangs­ signale aus der zusätzlichen Verteilung V3 gewonnen werden. Bei der Skizze nach Fig. 3 ist die Speiseleitung V1 mit einer zusätzlichen Verteilung V3 zu einem Leiternetzwerk mit durch Absorber A reflexionsfrei abgeschlossenen Leitungsenden ergänzt. Aus der Speiseleitung V1 kann im Empfangsfall das zum Sendesignal gleichsinnig polarisierte (copolarisierte) Empfangssignal entsprechend dem Empfang über das Monopuls-Summendiagramm Σ und aus der zusätzlichen Verteilung das gegensinnig (cross-) polarisierte Empfangs­ signal entsprechend dem Empfang über das elevationale Monopuls-Differenzdiagramm entnommen werden.

Die Erfindung ist in analoger Weise auf anders struk­ turierte phasengesteuerte Antennen mit über 3dB-Koppler gespeisten Strahlerelementen oder Elementgruppen ver­ schiedener Polarisation, insbesondere auch sogenannte aktive Gruppenantennen mit Sende-Empfangs-Modulen sowie auf Antennen mit Diagrammformung/-schwenkung in zwei Ebenen anwendbar.

Claims (8)

1. Radar-Gruppenantenne mit Strahlerelementen (St) zu zwei orthogonalen Polarisationen (θ⁺, θ^-), wobei

• - eine für alle Strahlerelemente (St) gemeinsame Speiseleitung (V1) mit mehreren Ausgängen vorhanden ist,
• - der Eingang der Speiseleitung (V1) über eine Sende- Empfangs-Weiche (Z) mit einem Sender (T) und einem Empfänger (E1) verbunden ist,
• - an jeden Ausgang der Speiseleitung (V1) je ein 3dB-Koppler (K) mit einem ersten von zwei Eingangstoren angeschlossen ist,
• - jeder 3dB-Koppler (K) mit einem ersten von zwei Ausgangstoren mit einer Untergruppe von Strahlerelementen (St) der einen Polarisation (θ⁺), mit dem zweiten Ausgangstor mit einer anderen
• - Untergruppe von Strahlerelementen der anderen Polarisation (θ^-) verbunden ist,
• - zwischen den Ausgangstoren der 3dB-Koppler (K) und den Strahlerelementen (St) steuerbare Phasenschieber (P1⁺, P1^-; P2⁺, P2^-) sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Eingangstore der 3dB-Koppler (K) an eine allen Strahlerelementen (St) gemeinsame Empfangsleitung (V2) angeschlossen und die Empfangsleitung (V2) an einen weiteren Empfänger (E2) angeschlossen ist, und daß eine Einrichtung (PR) zur Überlagerung der Ausgangssignale der beiden Empfänger (E1, E2) mit vorgebbarer Phasenverschiebung und/oder Amplitudengewichtung den Empfängern (E1, E2) nachgeschaltet ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsleitung (V2) hinsichtlich der Zusammenfassung der Empfangssignale von den zweiten Eingangstoren der 3dB-Koppler (K) gleich aufgebaut ist wie die Speiseleitung (V1) hinsichtlich der Zusammenfassung der Empfangssignale von den ersten Eingangstoren der 3dB-Koppler (K).

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerausgangssignale digitalisiert (A/D) werden.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (PR) zur Überlagerung der Empfänger-Ausgangssignale einen digitalen Prozessor enthält.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Speiseleitung (V1) und die Empfangsleitung (V2) als Serienverzweigung mit Richtkoppler-Ausgängen (RK) ausgeführt sind.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung (V1) und/oder die Empfangsleitung (V2) mit einer zu­ sätzlichen Verteilung (V3) als Leiter-Netzwerk ausgeführt ist.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber (P1⁺, P1^-; P2⁺, P2^-) als reziproke Phasenschieber ausgeführt sind.