DE4004611C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Bestimmung der Winkelposition einer aktiven (astronomischer Körper, Bake, Störsender etc.) oder einer passiven Strahlungsquelle (elektromagnetischer Streukörper) auf der Grundlage des Phasen- oder Ampli­ tudenvergleichs finden Winkeldiskriminatoren u. a. Ver­ wendung in der passiven Richtungsbestimmung, Satel­ liten-Nachführung und Funkortung, Leitführung von Raum­ fahrt-Vehikeln und Raketen, in der elektronischen Meß­ technik, z. B. in der Überwachung von Formänderungen bei großflächigen Objekten, wie z. B. Paraboloidantennen, in der Radiointerferometrie und Spektrometrie und schließ­ lich in der Radartechnik.

Während in der Radioastronomie ausschließlich nach dem Prinzip des Phasenvergleichs (Interferometer) gearbei­ tet wird, findet in der Radartechnik beim Monopulsradar auch das Amplitudenvergleichsprinzip Anwendung. Das erstere liefert Informationen über die Winkelposition strahlender Quellen durch Korrelation der empfangenen Signale zweier oder mehrerer distanziert angeordneter Antennen. Aufgrund der möglichen großen Antennenab­ stände ist hier eine hohe Steilheit des Differenz-/ Summensignal-Verhältnisses und damit eine hohe Winkel­ genauigkeit erreichbar, jedoch mit dem Nachteil hoher Nebenzipfel, die für Radaranwendungen durch Zusammen­ rücken der verwendeten Antennen reduziert werden müssen. Derartige Strukturen, die zwecks weiterer Nebenzipfelreduktion teilweise überlappende Antennen­ bereiche aufweisen, werden als Gruppenantennen für Radar-Monopuls-Systeme eingesetzt.

Bei Radarreflektorantennen dagegen wird die Apertur­ feldphaseninformation zunächst in eine Amplitudeninfor­ mation in der Brennebene transformiert und dort von einem Erregersystem, meist nur Hörner von wenigen Wellenlängenabmessungen, empfangen. Die Fünf- oder Zwölf-Horncluster, die Mehrmodenhorn-Empfangssysteme sowie eine Kombination eines Mehrmoden-Mehrhornclusters sind wegen des stark ansteigenden Aufwandes, wegen der Realisierungsprobleme, den zusätzlichen, starken Ver­ lusten im nachfolgenden erweiterten Mehrhorn-Monopuls- Komparator-Netzwerk bzw. im Mehrmoden-Speisesystem für Frequenzen über 90 GHz auszuschließen.

Sinnvoll einsetzbar sind in diesem Frequenzbereich nur das Vierhorncluster mit nachfolgendem herkömmlichen Komparator in Hohlleitertechnik. Die in der Radar­ technik gebräuchliche Bezeichnung "Monopulskomparator" für den Winkeldiskriminator resultiert aus der Eigen­ schaft des Monopulsradars, die Winkelinformation aus dem simultanen Vergleich der empfangenen Signale (im Gegensatz zu den sequentiellen Radarverfahren) mit unterschiedlichen Antennendiagrammen innerhalb eines Echoimpulses zu extrahieren.

Anhand eines Amplitudenmonopulsradars soll zunächst das Winkeldiskriminator-Prinzip mit einem Vierhorn-Erreger­ system erläutert werden. Zunächst wird eine Paraboloid- Horn-Cluster-Konfiguration im Empfangsfall betrachtet. Aus der Abhängigkeit der Feldintensität in der Brenn­ ebene vom Einfallswinkel der einfallenden ebenen Welle können allgemein die Winkelablage bestimmt und über ein entsprechendes Empfangssystem, z. B. für ein Tracking- Radar, Regelkriterien zur Antennenausrichtung bzw. -nachführung abgeleitet werden. Speziell für ein solches Nachführsystem bleibt die Winkelabweichung zwischen der Antennenachse und der Wellennormalen der einfallenden ebenen Welle meist innerhalb der 3-dB- Keulenbreite der Antennencharakteristik. Die seitliche Verschiebung des Brennebenenfeldes bleibt gering und verhält sich für kleine Azimut- und Elevationswinkel näherungsweise proportional zu den Azimut- und Eleva­ tionswinkeländerungen.

In erster Näherung wirkt ein einzelnes Horn als Sonde und gibt ungefähr den mit dem Grundmode korrelierten Teil der empfangenen Leistung in der Brennebene inner­ halb seiner Flächenausdehnung bei Vernachlässigung der Wechselwirkung der einzelnen Hörner untereinander und der Hornanordnung mit dem Einfallsfeld an den Anschluß­ hohlleiter weiter. Die Bewertung dieser Leistung der einzelnen Hörner in Abhängigkeit von der räumlichen Verschiebung des Brennebenenfeldes bzw. vom propor­ tionalen Einfallswinkel erfolgt in einem nachfolgenden Hochfrequenznetzwerk, dem in der Radartechnik üblichen Amplituden-Monopulskomparator. In ihm werden die Summe und Differenzen der einzelnen Leistungsanteile gebil­ det. Nach Verstärkung und Abwärtsmischung dieser Kompa­ ratorausgangssignale liefern die nachfolgenden Detek­ toren die gewünschte Winkelinformation bzw. die Fehler­ korrektursignale zur Nachführung der Antenne. Um nun eine korrekte Winkelablage zu registrieren bzw. ein stabiles, geschlossenes Servosystem im Falle eines Tracking-Radars beizubehalten, müssen die Differenz- Ausgänge unabhängig sein vom Streuquerschnitt des betrachteten Objektes und der Entfernung bzw. Störungen auf der Strecke. Als Referenzsignal dient dazu das aus dem Komparator abgeleitete Summenfeldsignal. Das Summenfeld besitzt also die Funktion einer Referenz, auf die die Differenzkanalausgänge normiert sind.

In früheren Monopuls-Entwicklungen erfolgt der Ampli­ tudenvergleich mit direktem Anschluß jeweils eines Empfängers an die Ausgänge der verschiedenen Hörner erst im Basisband. Fehlanpassung und Drifts in Ampli­ tude und Phase der einzelnen Empfangskanäle verursachen jedoch starke Fehler in der Winkelbestimmung. Die Fehler treten insbesondere in der Nähe der Antennen­ achse (gewöhnlich die Region von primärem Interesse) auf, wo die Amplituden nahezu gleich, d. h. ihre Differenzen sehr klein sind. In der neueren Praxis erfolgt daher ein indirekter Vergleich im Hochfrequenz­ bereich durch Formung von Differenzen in einem Kompa­ rator. Zur Vermeidung von Störungen und Verlusten langer Leitungsverbindungen ist der Komparator mit den ersten Mischern gewöhnlich unmittelbar nach dem Horn­ cluster plaziert und ist vorzugsweise mit dem Horn­ cluster in einer Anordnung integriert. Die eingangs beschriebenen Anordnungen sind aus Tracking Radar, Chapter 21 of Radar Handbook, Skolnik, M. I. (ed.); Dunn, Howard, Pendleton bekannt.

Der Oberbegriff des Hauptanspruchs geht von einem Winkeldiskriminator nach DE 15 16 046 B1 aus. Die bekannte Anordnung zum gleichzeitigen Erzeugen mehrerer vorgegebener elektromagnetischer Wellentypen weist einen Mehrmodehohlleiter auf, in den symmetrisch zu seiner Längsachse zwei Speisehohlleiter einmünden. Die Verteilung der dem Mehrmodehohlleiter zugeführten Gesamtenergie auf die einzelnen Hohlleitermoden hängt von der Orientierung der Speiseleitung zu den Feldkonfigurationen der einzelnen Hohlleitermoden im Mehrmodehohlleiter ab. Diese Erkenntnis wird zum gleichzeitigen Erzeugen eines Summen- und eines Differenzrichtdiagramms ausgenutzt.

Nachteilig ist, daß der in Hohlleitertechnik aufgebaute Komparator insbesondere bei sehr hohen Frequenzen hohe Verluste und damit verbunden einen geringen Übertragungswirkungsgrad hat. Ferner ist die Fertigung eines für hohe Frequenzen ausgelegten Komparators in Hohlleitertechnik äußerst problematisch. Der Hohlleiter muß mit hoher Präzision gefräst werden, wobei die Baugröße des Komparators mit zunehmender Frequenz immer kleiner wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkel­ diskriminator zur Richtungsbestimmung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der mit geringen Verlusten, insbesondere bei hohen Frequenzen, arbeitet und der einfach zu realisieren ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 ange­ gebenen Merkmalen.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen werden die elektromagnetischen Teilfelder direkt zur Summen- bzw. Differenzbildung herangezogen. Dazu ist eine Überlagerungsvorrichtung vorgesehen, die die elektromagnetischen Teilfelder des Eingangsfeldes empfängt und derart überlagert, daß die Summe bzw. Differenz der Teilfelder gebildet wird. Erst nach der Summen- und Differenzbildung werden die resultierenden Ausgangs-Teilfelder über eine hinter der Überlagerungs­ vorrichtung angeordnete Antennenvorrichtung, die beispielsweise als Hornantennenanordnung oder als Linsen-Hornantennenanordnung ausgebildet sein kann, in Hochfrequenzsignale umgeformt. Aus den Hochfrequenzsig­ nalen, die der Summe bzw. Differenz der elektromagne­ tischen Teilfelder des Brennebenenfeldes entsprechen, kann dann in bekannter Weise die Richtung der ein­ fallenden Welle bestimmt werden. Bei entsprechend großen Abmessungen bietet der Winkeldiskriminator als Phasenvergleichssystem die Möglichkeit der Winkelbestimmung bei direktem Empfang der ebenen Welle ohne vorgeschaltete Reflektoranordnung. Besonders bei Frequenzen von über 90 GHz arbeitet der erfindungs­ gemäße Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung sehr verlustarm, weil die Summen- und Differenzbildung quasi-optisch erfolgt und keine Leiterkomponenten mit großen Verlusten bei diesen sehr hohen Frequenzen vor­ handen sind. Des weiteren ist der Aufbau des Winkel­ diskriminators verhältnismäßig einfach. Darüber hinaus bietet der erfindungsgemäße Diskriminator als Phasen­ vergleichs-Antenne die Möglichkeit der Winkelbestimmung einer ebenen einfallenden Welle ohne eine vorgeschal­ tete, bündelnde Reflektoranordnung. Eine solche Bünde­ lungsanordnung, z. B. in Form eines Parabolspiegels, kann jedoch zur Erhöhung der Eingangsempfindlichkeit zweckmäßig sein.

Die Überlagerungsvorrichtung besteht aus zwei einander gegenüberliegenden ebenen Reflektoren und einem zwischen den Reflektoren angeordneten Leistungsteiler, der die Leistung der elektromagne­ tischen Welle teilweise reflektiert und transmittiert. Die Reflektorflächen und der Leistungsteiler sind schräg zur Einfallsrichtung und zueinander parallel angeordnet. Die auf die Reflektorflächen und den Leistungsteiler auftreffenden elektromagnetischen Strahlen treten bezüglich der einfallenden Strahlen seitlich zur Ein­ fallsrichtung versetzt aus dem Summen- und Differenz­ bildner heraus. Die Überlagerungsvorrichtung spaltet das einfallende elektromagnetische Feld in mehrere, seitlich zueinander versetzte und einander sich über­ lagernde Teilfelder auf. Da die an dem Leistungsteiler reflektierten Strahlen gegenüber den transmittierten Strahlen um 90° phasenverschoben sind und zudem durch die Reflektoreinstellung eine weitere Phasendifferenz der Teilfelder um ein ganzfaches Vielfaches von 90° hinzukommt, addieren bzw. subtrahieren sich die einan­ der überlagernden Teile des Eingangsfeldes am Ausgang der Überlagerungsvorrichtung. Die die Summe bzw. Differenz der Teilfelder bildenden Überlagerungsfelder werden dann durch die hinter der Überlagerungsvorrich­ tung angeordnete Antennenvorrichtung in HF-Signale umgesetzt.

Die Überlagerungsvorrichtung weist zweckmäßigerweise ein Eingangs- und ein seitlich dazu versetztes Aus­ gangsfenster auf. Beide Fenster werden von den Längs­ kanten der ebenen Reflektoren begrenzt, wobei die Mittelachse des Eingangsfensters die Hauptempfangsrich­ tung kennzeichnet. Sofern der Summen- und Differenz­ bildner die Strahlung von einer Bündelungsvorrichtung empfängt, ist der Summen- und Differenzbildner in der Fokusebene der Antenne so anzuordnen, daß die Mittel­ achse auf der Bündelungsachse der Bündelungsanordnung z. B. eines Paraboloids liegt. Dabei verläuft die Mittelachse in der virtuellen Eingangstrennebene, die die zu addierenden bzw. subtrahierenden Teilfelder des elektromagnetischen Eingangsfeldes voneinander trennt. Die virtuelle Ausgangstrennebene der Überlagerungs­ vorrichtung, die zwischen den Summen- und Differenz­ feldern auf der Ausgangsseite der Überlagerungsvorrich­ tung liegt, verläuft parallel zu den Längskanten des Ausgangsfensters und damit ebenfalls parallel zu der Eingangstrennebene.

Vorteilhafterweise sind die Reflektoren längs einer gemeinsamen, senkrecht auf der Eingangstrennebene stehenden Achse verschiebbar, so daß der Abstand zwischen den Reflektoren und dem Leistungsteiler justiert werden kann. Die Reflektoren sollten so einge­ stellt sein, daß ihre Reflektorflächen symmetrisch zu dem Leistungsteiler angeordnet sind. Ferner sollte die Projektion des Leistungsteilers und der beiden Reflek­ toren auf eine senkrecht zu der Eingangstrennebene stehende Ebene eine geschlossene Fläche bilden.

Zweckmäßigerweise sind die Reflektorflächen gegen die Eingangstrennebene um 45° schräggestellt, so daß Ein­ gangs- und Ausgangstrennebene zueinander parallel ver­ laufen.

Zwischen der Überlagerungsvorrichtung und der Antennen­ vorrichtung ist vorteilhafterweise ein die elektro­ magnetischen Ausgangsfelder bündelndes Linsensystem vorgesehen, um aufgrund der höheren Energiedichte Hörner mit nur wenigen Wellenlängenabmessungen ver­ wenden zu können.

Die Einfallsrichtung der Welle ist vollständig durch den Azimut- und Elevationswinkel festgelegt. Um sowohl den Azimut- als auch den Elevationswinkel bestimmen zu können, sind vorzugsweise zwei orthogonal zueinander stehende Überlagerungsvorrichtungen im Strahlengang hintereinander angeordnet. Die zwei hintereinander angeordneten Überlagerungsvorrichtungen erlauben eine Zerlegung des elektromagnetischen Eingangsfeldes in vier Teilfelder. Die erste, vorausgehende Überlage­ rungsvorrichtung bildet die Summe bzw. Differenz der beiden durch die virtuelle Eingangstrennebene der ersten Überlagerungsvorrichtung aufgeteilten Teil­ felder. Durch Summen- und Differenzbildung läßt sich der Azimutwinkel bestimmen. In der zweiten, nach­ folgenden Überlagerungsvorrichtung werden die Teil­ felder jeweils durch die virtuelle Eingangstrennebene der zweiten Überlagerungsvorrichtung nochmals in zwei Teilfelder unterteilt. Dabei steht die virtuelle Ein­ gangstrennebene der zweiten Überlagerungsvorrichtung senkrecht auf der Ausgangstrennebene der ersten Über­ lagerungsvorrichtung. Durch Summen- und Differenz­ bildung dieser Teilfelder wird der Elevationswinkel bestimmt. Damit das elektromagnetische Feld in vier gleiche Quadranten aufgeteilt wird, liegen die Haupt­ empfangsrichtungen der ersten und zweiten Überlage­ rungsvorrichtung in einer gemeinsamen, senkrecht auf der Eingangstrennebene der ersten Überlagerungsvor­ richtung stehenden Ebene. Am Ausgang der zweiten Über­ lagerungsvorrichtung werden die zur Bestimmung des Azimut- und Elevationswinkels erforderlichen Summen- bzw. Differenzfelder über die Antennenvorrichtung ausgekoppelt.

Die gesamte Winkeldiskriminatoranordnung ist reziprok, d. h. die beiden hintereinandergeschalteten Überlage­ rungsvorrichtungen sind vertauschbar und der Ein- und Ausgang einer bzw. auch beider Überlagerungsvorrich­ tungen sind verdrehbar. Es existiert keine Vorzugs­ richtung, wie der Winkeldiskriminator anzuordnen ist.

Der sowohl den Azimut- als auch den Elevationswinkel ermittelnde Winkeldiskriminator kann beispielsweise eingesetzt werden, um eine Antenne exakt auf die einfallende Welle auszurichten. Die Antenne ist so nachzuführen, daß die Hauptempfangsrichtung der Antenne auf der Einfallsrichtung der Welle liegt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 das elektromagnetische Feld in der Fokusebene einer eine ebene Welle empfangenden Parabol­ antenne,

Fig. 2 eine Überlagerungsvorrichtung in der Drauf­ sicht,

Fig. 3 einen Winkeldiskriminator zur Richtungsbe­ stimmung einer hochfrequenten elektromagne­ tischen Welle mit zwei orthogonal zueinander stehenden Überlagerungsvorrichtungen in einer perspektivischen Darstellung, in der die Ein­ gangs- und Ausgangstrennebene der hintereinand­ er angeordneten Überlagerungsvorrichtungen gezeigt sind,

Fig. 4 den Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung von Fig. 3, wobei die strahlenoptischen Lauf­ wege bei der Summenbildung dargestellt sind, und

Fig. 5 den Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung von Fig. 3, wobei die strahlenoptischen Lauf­ wege bei der Differenzbildung dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt das elektromagnetische Feld 1 in der Fokusebene 2 einer fokussierenden Antennenanordnung, hier in Form eines rotationssymmetrischen Parabol­ reflektors 3, der eine ebene Welle 4 empfängt. Das von dem Parabolreflektor reflektierte elektromagnetische Feld 1 weist in der Fokusebene 2 ein im Zentrum liegen­ des rotationssymmetrisches Hauptmaximum 7 und mehrere rotationssymmetrische Nebenmaxima 8 auf. Die Parabol­ antenne 3 ist dann genau auf die Einfallsrichtung der Welle 4 ausgerichtet, wenn ihre mit der Hauptempfangs­ richtung zusammenfallende Antennenachse z mit der Wellennormalen 5 der einfallenden Welle übereinstimmt. Zur Winkelnachführung der Parabolantenne 3 ist es erforderlich, die die Ausrichtung der Achse z bezüglich der Wellennormalen 5 festlegenden Azimut- und Eleva­ tionswinkel zu bestimmen. Der Azimutwinkel a ist der Winkel zwischen der Rotationsachse z und der Projektion der Wellennormalen auf die x-z-Ebene des Parabol­ spiegels 3, während der Elevationswinkel e der Winkel zwischen der Wellennormalen 5 und der Projektion der Wellennormalen auf die x-z-Ebene des Parabolspiegels 3 ist.

Azimut- und Elevationswinkel a, e lassen sich durch Summen- und Differenzbildung von vier Teilfeldern A, B, C, D oder Quadranten bestimmen, in die das elektro­ magnetische Feld in der Fokusebene der Parabolantenne zerlegt wird.

In der Fokusebene 2 der Parabolantenne 3 wird ein sich senkrecht zu der Achse z erstreckendes Eingangsfenster 6 festgelegt, das sich im Bereich des Hauptmaximums 7 befindet. Das Eingangsfenster 6 ist durch die x-z-Ebene und die y-z-Ebene des Parabolspiegels in die in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Quadranten A, B, C, D aufge­ teilt.

In dem in Fig. 1 nicht dargestellten Fall einer exakten Ausrichtung der Achse z der Parabolantenne 3 liegt das Hauptmaximum 7 auf der Achse z und die Energiedichte in allen vier Quadranten ist gleich groß. Folglich ist sowohl die Differenz [(A + B) - (C + D)] der durch die y-z-Ebene getrennten Teilfelder A + B und C + D als auch die Differenz [(A + C) - (B + D)] der durch die x-z-Ebene getrennten Teilfelder A + C und B +D gleich Null. Daraus ergibt sich, daß die Azimut- und Eleva­ tionswinkel a und e ebenfalls gleich Null sind. In Fig. 1 ist der Fall einer nicht exakt ausgerichteten Achse z der Parabolantenne 3 dargestellt. Das Hauptmaximum 7 liegt hierbei nicht auf der Achse z und die Energie­ dichten in den einzelnen Quadranten A, B, C, D sind nicht untereinander gleich. Der Azimutwinkel a ergibt sich dann aus der Summe [(A + B) + (C + D)] bzw. Differenz [(A + B) - (C + D)] der Teilfelder A + B und C + D, während sich der Elevationswinkel e aus der Summe [(A + C) + (B + D)] bzw. Differenz [(A + C) - (B + D)] der Teilfelder A + C und B + D bestimmt. Die Summen- und Differenzbildung kann in zwei Stufen erfolgen. In einer ersten Stufe werden die Teilfelder A +B und C + D addiert bzw. subtrahiert und in einer zweiten nachfolgenden Stufe werden die Ausgangsfelder der ersten Stufe A₁ + C₁ und B₁ +D₁ miteinander verknüpft.

Fig. 2 zeigt eine aus einer Überlagerungsvorrichtung 10 bestehende Vorrichtung zur Winkelbestimmung in der Pro­ jektion auf die x-z-Ebene der in Fig. 2 nicht darge­ stellten Parabolantenne. Die Überlagerungsvorrichtung 10 bildet die Summe bzw. Differenz der Teilfelder A + B und C + D. Die Überlagerungsvorrichtung 10 weist zwei einander gegenüberliegende Reflektoren 11, 12 aus elek­ trisch leitendem Material auf, deren ebene Reflektor­ flächen 13, 14 parallel zueinander angeordnet sind. Die Reflektoren 11, 12 haben das Profil eines gleich­ schenkligen Dreiecks und begrenzen mit ihren Längs­ kanten 15, 16 ein Eingangsfenster 17 und mit ihren Längskanten 18, 19 ein Ausgangsfenster 20. Die zwischen den Längskanten 15, 16 verlaufende Mittelachse z des Eingangsfensters 17 kennzeichnet die Hauptempfangsrich­ tung und liegt in der Eingangstrennebene 30 (y-z-Ebene), die die beiden Teilfelder A + B und C + D gegeneinander abgrenzt. Die Reflektorflächen 13, 14 sind um 45° gegen die Eingangstrennebene 30 schräggestellt und können längs einer gemeinsamen, senkrecht auf der Eingangstrennebene stehende Achse in Pfeilrichtung 21 justiert werden, um mit den Reflektoren 11, 12 die erforderliche Bedingung an die Phase für optimale Summen- und Differenzbildung bei gewünschter Band­ mittenfrequenz einstellen zu können.

Zwischen den Reflektorflächen 13, 14 ist ein feststehen­ der 3-dB-Leistungsteiler 22 angeordnet, der die Leistung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung zur Hälfte reflektiert und transmittiert und dessen Oberfläche parallel zu den Reflektorflächen 13, 14 ist. Der Leistungsteiler besteht aus einer sehr verlustarmen polarisationsunabhängigen Quarzplatten- Gitter-Kombination.

Die Reflektoren 11, 12 sind in der in Fig. 2 darge­ stellten Position exakt justiert. Die Mittelachse z des Eingangsfensters 17 liegt auf der Hauptempfangsrichtung der vorgeschalteten Antennenvorrichtung. Ferner bildet die Projektion des Leistungsteilers 22 und der Reflek­ torflächen 13, 14 auf das Eingangsfenster 17 und das Ausgangsfenster 20 eine geschlossene Fläche, wobei die Kanten der Reflektorflächen 13, 14 und des Leistungs­ teilers 22 sich gerade nicht überlappen.

Mit Vernachlässigung sämtlicher Streu-, Kanten- und Beugungseffekte und unter der Annahme einer ebenen Phase des elektromagnetischen Antennenfeldes resul­ tieren am Ausgang Summen- und Differenzfeld durch die rein geometrisch addierten bzw. subtrahierten Teil­ felder. In Fig. 2 ist die Summen- und Differenzbildung in einer strahlenoptischen Betrachtungsweise dar­ gestellt, wobei ein idealer 3dB-Leistungsteiler (T = - j R) angenommen wird, der 50% der einfallenden Strahlung reflektiert und 50% transmittiert.

Zuerst werden die strahlenoptischen Laufwege verfolgt, die zu einer Summenbildung der Teilfelder A + B, C + D führen. Die Hälfte der an der ersten Reflektorober­ fläche 13 reflektierten Leistung des Teilfeldes C + D wird an dem 3dB-Leistungsteiler 22 reflektiert. Der aus dem Ausgangsfenster austretende Feldanteil C + D ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Dieser Feldanteil über­ lagert sich mit demjenigen, in durchgezogener Linie dargestellten Feldanteil des Teilfeldes A + B, der von dem Leistungsteiler transmittiert wird. Unter Berück­ sichtigung einer Phasenverschiebung zwischen den an dem Leistungsteiler 22 reflektierten und transmittierten Feldanteilen um 90° (T = - j R; T = Transmissions­ faktor; R = Reflexionsfaktor) zusammen mit der Phasen­ einstellung über die beiden justierbaren Reflektoren erfolgt an der Ausgangsseite der ersten Überlagerungs­ vorrichtung beispielsweise eine Addition der Teilfelder A + B und C + D, wie im einzelnen noch unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben wird. Das Summenfeld [(A + B) + (C + D)] ist in Fig. 2 in durchgezogener Linie dargestellt.

Eine Differenzbildung der Teilfelder A + B und C + D erfolgt im vorgegebenen Beispiel durch die Überlagerung desjenigen Anteils des Teilfeldes C + D, der an dem ersten und zweiten Reflektor 11, 12 reflektiert und von dem Leistungsteiler 22 transmittiert wird, mit dem­ jenigen Anteil des Teilfeldes A + B, der an dem Leistungsteiler 22 und dem zweiten Reflektor 12 reflek­ tiert wird. Infolge der Phasenverschiebung entsteht das Differenzfeld der Teilfelder A + B und C + D. Das Differenzfeld [(A + B) - (C + D)] ist in Fig. 2 in durchgezogener Linie dargestellt. Zwischen Summen- und Differenzfeld verläuft die Ausgangstrennebene 31 (y′-z′-Ebene) des Ausgangsfensters 20. Eingangstrenn­ ebene 30 und Ausgangstrennebene 31 sind parallel zueinander ausgerichtet.

Fig. 3 zeigt den Winkeldiskriminator zur Richtungs­ bestimmung mit zwei orthogonal zueinander angeordneten Überlagerungsvorrichtungen 10, 10′, von denen jede der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung entspricht. Die Überlagerungsvorrichtungen 10, 10′ sind im Strahlengang derart hintereinander angeordnet, daß die Eingangs­ trennebene 30′ der zweiten nachfolgenden Überlagerungs­ vorrichtung 10′ senkrecht auf der Ausgangstrennebene 31 der ersten vorausgehenden Überlagerungsvorrichtung 10 steht und damit die Ausgangstrennebene 32 (x′-z′-Ebene) der zweiten Überlagerungsvorrichtung 10′ senkrecht auf der Ausgangstrennebene 31 der ersten Überlagerungs­ vorrichtung 10 steht. Dabei verlaufen die Haupt­ empfangsrichtungen beider Vorrichtungen parallel zur z-Achse des die vier Quadranten A, B, C, D aufteilenden Koordinatensystems x, y, z und liegen in einer gemein­ samen, senkrecht zur Eingangstrennebene 30 der ersten Überlagerungsvorrichtung 10 stehenden Ebene. Während die erste Überlagerungsvorrichtung die Teilfelder A + B und C + D überlagert, verknüpft die nachfolgende zweite Überlagerungsvorrichtung die Ausgangs-Teilfelder der ersten Stufe A₁ + C₁ und B₁ + D₁.

Im Strahlengang hinter der zweiten Überlagerungsvor­ richtung 10′ ist ein Linsensystem 28 angeordnet. Das Linsensystem 28 besteht aus vier einzelnen konvexen Linsen 33 aus dielektrischem Material, z. B. Teflon, die die aus dem Ausgangsfenster 20′ der zweiten Überlage­ rungsvorrichtung 10′ austretenden elektromagnetischen Felder jeweils eines Überlagerungsfeldes A′, B′, C′, D′ bündeln. In den Brennpunkten der vier Teflonlinsen 33 befindet sich jeweils eine Horn-Antenne 34. Die Horn- Antennen 34 empfangen die gebündelte elektromagnetische Strahlung und wandelt diese in HF-Signale um, aus denen Azimut- und Elevationswinkel a, e in bekannter Weise bestimmbar sind.

In den Fig. 4 und 5 können die in durchgezogener Linie dargestellten strahlenoptischen Laufwege der ersten Überlagerungsvorrichtung 10 verfolgt werden. Die Bezugsebene für die Phasenbetrachtung ist das Eingangs­ fenster 17 der ersten Überlagerungsvorrichtung 10. Zunächst wird die Summenbildung der Teilfelder A + B und C + D unter Bezugnahme auf Fig. 4 betrachtet. Im Ausgangsfenster 20 der ersten Überlagerungsvorrichtung 10 entstehen die sich überlagernden Teilfelder C₁ und D₁. Die Unterstreichung gibt hierbei an, daß es sich um eine komplexe Größe handelt, die aus Realteil und Imaginärteil besteht.

Das Teilfeld D₁ berechnet sich aus der Überlagerung des an dem Leistungsteiler 22 transmittierten Anteils 25 des Teilfeldes B und des an dem Leistungsteiler reflek­ tierten Anteils 26 des Teilfeldes D nach folgender Gleichung:

D₁ = R · D e^{-jk (l + lo)} + TB e^-jklo,

wobei R der Reflexionsfaktor des Leistungsteilers, T der Transmissionsfaktor des Leistungsteilers, k = 2 π/λ die Wellenzahl, l der Abstand zwischen dem Leistungsteiler 22 und den Reflektorflächen 13, 14 und lo der Abstand zwischen dem Eingangsfenster 17 und dem Ausgangsfenster 20 der Überlagerungsvorrichtung ist.

Das Teilfeld C₁ läßt sich analog nach folgender Gleichung ermitteln:

C₁ = RCe^{-jk (l+lo)} + TAe^-jklo.

Unter der Voraussetzung eines idealen 3-dB-Leistungs­ teilers besteht zwischen dem Reflexionsfaktor R und dem Transmissionsfaktor T die folgende Beziehung:

(T = - j R).

Für die Summe der sich überlagernden Ausgangs-Teil­ felder ergibt sich damit folgende Gleichung:

D₁ + C₁ = -jRe^-jklo [(A + B) + (C + D) je^-jkl].

Die Summe [(A + B) + (C + D)] der Teilfelder ergibt sich, wenn je ^-jkl = 1 durch entsprechende Reflektorjustierung eingestellt wird.

Die in durchgezogener Linie dargestellten strahlen­ optischen Laufwege für die Differenzbildung der Teil­ felder sind in Fig. 5 gezeigt. Die Differenzbildung erfolgt analog zu der Summenbildung. Am Ausgangsfenster der ersten Überlagerungsvorrichtung 10 entstehen die Teilfelder A ₁ und B ₁. Das Teilfeld B ₁ berechnet sich aus der Summe des an dem Leistungsteiler transmittier­ ten Anteils 27 des Teilfeldes D und des an dem Leistungsteiler reflektierten Anteils 27′ des Teil­ feldes B nach folgender Gleichung:

B₁ = TDe^{-jk (2 l + lo)} + R · Be^{-jk (l + lo)} =

Re^{-jk (l + lo)} [B - jDe^-jkl].

Das Teilfeld A₁ berechnet sich analog:

A₁ = T · Ce ^{-jk(2 l + lo)} + RAe^{-jk(l + lo)} =

Re^-jk(l + lo) [A-jCe^-jkl].

Unter der Voraussetzung einer symmetrischen Anordnung des Leistungsteilers ergibt sich durch die Überlagerung der beiden Teilfelder A ₁ und B ₁ und bei obiger Reflek­ torjustierung mit je ^-jkl = 1 folgendes Differenzfeld am Ausgangsfenster 20 der ersten Überlagerungsvorrichtung 10:

Die Betrachtung der strahlenoptischen Laufwege in der zweiten nachfolgenden Überlagerungsvorrichtung 10′ er­ folgt entsprechend zu der ersten Überlagerungsvorrich­ tung 10, wobei die Eingangsfelder der zweiten Überlage­ rungsvorrichtung die Überlagerungsfelder der ersten Stufe A ₁, B ₁, C ₁ und D ₁ sind.

Am Ausgang der zweiten Überlagerungsvorrichtung ent­ stehen die Teilfelder A′, B′, C′, D′. Die Teilfelder A′, B′, C′, D′ werden durch das hinter der zweiten Über­ lagerungsvorrichtung angeordnete Linsensystem 28 ge­ bündelt und über die Hörner in HF-Signale umgewandelt.

Im allgemeinen genügen drei Linsen bzw. drei Hörner, da die Information des Diagonal-Differenzfeldes nicht von Interesse ist. Aus den Signalen werden in einer in den Figuren nicht dargestellten elektronischen Auswert­ schaltung in bekannter Weise der Azimut- und Eleva­ tionswinkel a, e zur Winkelnachführung der Parabol­ antenne bestimmt.

Claims (7)

1. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen durch Erzeugen von Signalen, die der Summe bzw. Differenz von mindestens zwei Teilfeldern eines elektromagnetischen Feldes entsprechen, mit
einer die elektromagnetischen Teilfelder (A, B, C, D) empfangenden Überlagerungsvorrichtung (10), die die Teilfelder derart überlagert, daß die Summe bzw. Differenz der Teilfelder gebildet wird,
und einer Antennenvorrichtung (29) zum Umsetzen der empfangenen Strahlung in Hochfrequenz-Signale,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Überlagerungsvorrichtung (10) zwei einander gegenüberliegende Reflektoren (11, 12), deren Reflektorflächen (13, 14) schräg zur Einfallsrichtung und parallel zueinander angeordnet sind, und einen zwischen den Reflektoren (11, 12) angeordneten, elektromagnetischen Wellen teilweise reflektierenden und teilweise transmittierenden Leistungsteiler (22) aufweist, der parallel zu den Reflektorflächen (13, 14) angeordnet ist, und
daß die Antennenvorrichtung (29) hinter der Überlagerungsvorrichtung (10) angeordnet ist.

2. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längs­ kanten (15, 16, 18, 19) der Reflektoren (11, 12) ein Eingangsfenster (17) und ein dazu versetztes Aus­ gangsfenster (20) begrenzen, wobei die Mittelachse (z) des Eingangsfensters (17) die Hauptempfangs­ richtung kennzeichnet, in der eine das elektro­ magnetische Feld in die Teilfelder (A, B, C, D) auf­ teilende Eingangstrennebene (30) liegt, während die zum Ausgangsfenster (20) rechtwinklige, parallel zu den Längskanten (18, 19) des Ausgangsfensters (20) verlaufende Ebene eine Ausgangstrennebene (31) für die aus den beiden Teilfeldern einfallende Energie bildet, in der die Mittelachse (z′) des Ausgangsfensters (20) liegt.

3. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (11, 12) längs einer gemeinsamen, senkrecht auf der Eingangstrennebene (30) stehenden Achse gegeneinander verschiebbar sind.

4. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorflächen (13, 14) um 45° gegen die Eingangstrennebene (30) schräggestellt sind.

5. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Überlagerungsvorrichtung (10) und der Antennenvorrichtung (29) ein die elektromagne­ tischen Überlagerungsfelder einzeln bündelndes Linsensystem (28) angeordnet ist.

6. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor der Überlagerungsvorrich­ tung (10) eine das elektromagnetische Feld bün­ delnde Parabolantenne (3) vorgesehen ist.

7. Winkeldiskriminator zur Richtungsbestimmung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei orthogonal zueinander stehende Überlagerungsvorrichtungen (10, 10′) im Strahlengang derart hintereinander angeordnet sind, daß die Eingangstrennebene der nachfolgenden zweiten Überlagerungsvorrichtung (10′) senkrecht auf der Ausgangstrennebene (31) der vorausgehenden ersten Überlagerungsvorrichtung (10) steht und die Hauptempfangsrichtungen der ersten und zweiten Über­ lagerungsvorrichtung (10, 10′) in einer gemein­ samen, senkrecht auf der Eingangstrennebene (30) der ersten Überlagerungsvorrichtung (10) stehenden Ebene liegen.