DE4037701C2 - Vorrichtung zur Anordnung vor einer Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, die Erkennbarkeit einer Radarantenne für ein anderes Radar­ system erheblich zu vermindern.

Bekanntlich stellt eine Antenne, besonders dann, wenn sie an Bord von Flugzeugen mitgeführt wird, ein besonders gut sicht­ bares und erkennbares Ziel dar, beispielsweise für gegneri­ sche Radarsysteme. Um dieses Problem zu lösen, ist man be­ strebt, die Antenne zu miniaturisieren und zu profilieren, so daß sie möglichst wenig wahrnehmbar ist, indem ihre in Erscheinung tretende Oberfläche, d. h. ihre "äquivalente Radaroberfläche" vermindert wird.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Funktion von Radarsystemen unter bestimmten Bedingungen stark durch natürliche und be­ sonders durch künstliche Störungsphänomene beeinträchtigt werden kann, beispielsweise durch Aussenden eines oder mehrerer Störungsbündel gegen die Antenne, die das Radarsystem blenden.

Um Störeffekte zu verhindern oder zu reduzieren sind verschiedene Verfahren und Mittel bekannt, bespielsweise gemäß der französischen Patentanmeldung 83.07580 vom 6. Mai 1983. In dieser Schrift sind akti­ ve Filtermittel beschrieben, die zwei Zustände annehmen können, von denen der eine nur im Frequenzbereich des Radars vollkommen reflektie­ rend und der andere transparent ist.

Aus der US 3 975 738 ist eine Vorrichtung zur Anordnung vor einer Antenne bekannt, bei der Mittel vorgesehen sind, die ein Bandpaßfilter bilden und innerhalb des Frequenzbandes der Antenne angepaßt sind. Die US 4 287 520 zeigt ein Radom, bei dem ebenfalls ein Material verwendet wird, mit dem ein Bandpaßfilter gebildet und das innerhalb des Fre­ quenzbandes der Antenne angepaßt ist. Frequenzselektive Oberflächen, die als Bandpaßfilter wirken, sind allgemein, z. B. in dem Artikel "Double-square Frequency-selective Surfaces and Their Equivalent Circuit" von R. J. Langley und E. A. Parker in "Electronic Letters", 18.08.1983, Vol. 19, Nr. 17, S. 675-677 beschrieben.

Gegenstand der Erfindung ist eine vor der Antenne angeordnete Vor­ richtung, die folgendes ermöglicht:

• - eine Minimierung der äquivalenten Radaroberfläche der Antenne, die von ihr geschützt wird, und folglich eine verminderte Möglichkeit des Erkennens dieser Antenne, ohne jedoch ihre Abstrahlung wesentlich zu stören;
• - den gleichzeitigen Schutz der Antenne gegen Störeffekte in Fre­ quenzbereichen, die außerhalb des Arbeitsbereiches der Antenne lie­ gen.

Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht einer Ausführungs­ form der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Filtermittel;

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Arbeitsweise der Vorrich­ tung nach Fig. 1 veranschaulicht;

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 5 die abgewickelte Oberfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 6 ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung zum Schutz einer luftgestützten Antenne.

In den verschiedenen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen einander entsprechende Elemente bezeichnet.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der bei der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung verwendeten Filtermittel. Diese Mittel bestehen aus einem Zellkörper, der aus zwei elektrisch leit­ fähigen, geschlitzten und im wesentlichen parallelen Ebenen, die durch eine elektrisch isolierende Struktur 3 voneinander getrennt sind, gebildet ist. Die leitenden Ebenen 1, 2 be­ stehen jeweils beispielsweise aus einer Folie 11 aus dielek­ trischem Material, die auf einer ihrer Flächen metallisiert ist. Diese beiden Ebenen 1, 2 sind in einem vorbestimmten Abstand voneinander mittels der isolierenden Struktur 3 ge­ halten, bei der es sich beispielsweise um Schaum von gerin­ ger Dichte oder um eine Wabenstruktur handelt. Der die Ebe­ nen 1, 2 voneinander trennende Abstand beträgt vorzugsweise etwa ein Viertel der mittleren Wellenlänge, bei welcher die Antenne betrieben wird.

Jede der leitfähigen Ebenen trägt, wie in Fig. 1 für die Ebene 1 ersichtlich, Schlitze F, die vorzugsweise eine ge­ schlossene Kurve bilden und vorzugsweise zwei orthogonale Symmetrieachsen in der Ebene 1 aufweisen, um ein Verhalten zu bewirken, das von der Polarisation der auftreffenden Welle unabhängig ist. Die Schlitze F sind beispielsweise ringförmig und sind zur Vereinfachung in Fig. 1 durch eine einzige Linie dargestellt. Die Oberfläche 13, die im Inneren der Ringe F enthalten ist, ist also ebenfalls leitfähig. Die Schlitze können auch von anderer Form sein, beispielsweise quadratisch. Alle Schlitze sind gleich ausgebildet. Sie sind beispielsweise in schrägen Zeilen und Spalten angeordnet, so daß sie die Scheitel von gleichseitigen Dreiecken einnehmen. Der mittlere Umfang jedes Schlitzes hängt von der Arbeits­ frequenz der Antenne ab; die Breite jedes Schlitzes wird in Abhängigkeit vom gewünschten Durchlaßband F₂-F₁ für einen gegebenen Teilungsschritt der Schlitze bestimmt.

Der Umfang der Schlitze, ihre Breite und die Dicke des so gebildeten Zellkörpers sind so bestimmt, daß dieser im Fre­ quenzband F₂-F₁, in welchem die Antenne arbeitet, angepaßt ist, so daß dann der Zellkörper für die innerhalb dieses Frequenzbandes liegende Strahlung im wesentlichen durchläs­ sig ist.

Die Fig. 2 veranschaulicht die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

In dem Diagramm ist die Änderung des Transmissionskoeffizien­ ten T des Zellkörpers in Abhängigkeit von der Frequenz F der ihn durchquerenden Welle dargestellt.

Es ist ersichtlich, daß für den Frequenzbereich F₂-F₁, al­ so das Arbeitsfrequenzband der Antenne, der Transmissions­ koeffizient größer als 0,95 ist, so daß 95% der durch die Vorrichtung gesendeten oder empfangenen Energie keiner merk­ lichen Deformierung unterliegen. Außerhalb dieses Frequenz­ bereiches ist die Vorrichtung nicht angepaßt; der Transmis­ sionskoeffizient T wird schnell kleiner, um gegen Null zu streben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhält sich also wie ein Bandpaßfilter. Diese Funktion ist unabhängig von der Polarisationsrichtung der Welle, da die verwendete Vorrich­ tung symmetrisch ist.

Die Fig. 3 zeigt schematisch und im Schnitt eine Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Ausführungs­ form ist aus mehreren getrennten Elementen gebildet, drei bei dieser Ausführungsform: Zunächst ein Kegel 4 mit einem Scheitelwinkel α₁ und einer Basis 40, anschließend ein Kegel­ stumpf 5, der an die Basis 40 des Kegels 4 angeschlossen ist und einen Scheitelwinkel α₂ sowie die Basis 50 aufweist, und schießlich ein Kegelstumpf 6, der an die Basis 50 des Kegel­ stumpfes 5 angeschlossen ist und den Scheitelwinkel α₃ auf­ weist. Diese drei Elemente haben dieselbe Achse XX, die vor­ zugsweise mit der Antennenachse übereinstimmt, wobei diese Elemente die Antenne abdecken, deren Öffnung beispielsweise in der Ebene der Basis 60 des Kegelstumpfes 6 liegt. Die Vorrichtung schließt somit im wesentlichen den Halbraum ab, der vor der Antenne gelegen ist. Die Seitenlängen der drei Elemente 4, 5 und 6 sind mit L₁, L₂ und L₃ bezeichnet. Jedes dieser Elemente 4, 5, 6 ist beispielsweise gemäß der Dar­ stellung in Fig. 1 ausgebildet; jede der Ebenen 1, 2 nimmt dann die Form eines Kegels bzw. Kegelstumpfes an.

Bei dieser Ausführungsform ist die Oberfläche der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung aus Facetten bzw. Oberflächenelementen gebildet, die in diesem Falle nicht eben, sondern kegel­ stumpfförmig sind.

Die Fig. 4 zeigt die Ausführungsform der Fig. 3 in Perspek­ tivansicht; man erkennt die Elemente 4, 5 und 6 mit der ge­ meinsamen Achse XX.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsvariante umfaßt je­ des der Elemente 4, 5, 6 seinerseits Facetten bzw. Oberflä­ chenelemente, so daß also die Basisflächen 40, 50 und 60 dieser Elemente keine Kreise, sondern Polygone sind.

Bei einer anderen Ausführungsform, die gleichfalls nicht dar­ gestellt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Kegel und (n-1) Kegelstümpfe gleicher Achse, die aneinander anschließen, wobei die Zahl n größer als 3 ist.

Es ist somit ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Vorrich­ tung aus Filtermitteln gebildet ist, die im Betriebsfrequenz­ band der Antenne angepaßt sind und sich vor der Antenne auf einer Oberfläche befinden, die aus Oberflächenelementen be­ steht und deren Form zwischen der eines Kegels und der einer Halbkugel liegt.

Eine solche Form ermöglicht es, ein geringes Störstrahlungs­ niveau zu erzielen, bei gleichzeitiger kleiner äquivalenter Radaroberfläche, insbesondere in der Nähe der Achse.

Die Studien und Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß die oben erwähnte Störstrahlung darauf beruht, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Anpassung stark nach­ läßt, wenn der Einfallswinkel der sie durchquerenden Mikro­ wellenstrahlung zunimmt. Eine Strahlung mit kleinem Einfalls­ winkel auf der Antenne (in bezug auf die Normale zu dieser Antenne) weist aber einen großen Einfallswinkel auf der Schutzvorrichtung auf, wenn diese kegelförmig ist. Es treten dann starke Reflexionen auf, welche die auftreffende Strah­ lung stören, was zu Störungszipfeln im Strahlungsdiagramm der Antenne führt. Eine komplexe Form wie die in Fig. 3 ge­ zeigte ermöglicht es, den Einfallswinkel der Strahlung auf der Vorrichtung in den üblichen Betriebsbändern der Antenne zu verkleinern, indem Winkel α₁ und α₂ verwendet werden, de­ ren Wert größer ist als für den entsprechenden Kegel. Die Studien der Anmelderin haben ferner gezeigt, daß ein zu gro­ ßer Wert für den Winkel α₁ die äquivalente Radaroberfläche beeinträchtigt, nämlich vergrößert.

Die Seitenlängen L₁, L₂ und L₃ müssen nicht unbedingt gleich sein. Vielmehr sind sie vorzugsweise von zunehmendem Wert mit zunehmender Entfernung von der Achse XX (L₁ < L₂ < L₃), so daß innerhalb des Strahlungsdiagrammes der mit der Vorrich­ tung ausgerüsteten Antenne die stärksten Störungszipfel zu hohen Einfallswinkeln hin verdrängt werden können.

Ferner können die verschiedenen Elemente (4, 5 und 6 in Fig. 3), aus denen die erfindungsgemäße Vorrichtung gebildet ist, geringfügig abweichende Geometrie aufweisen, insbeson­ dere bezüglich des Abstandes zwischen den Ebenen 1 und 2 (Fig. 1), so daß die Anpassung der Vorrichtung jeweils für eine Einfallszone erfolgt.

Die Fig. 5 zeigt die abgewickelte Oberfläche der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung in der Ausführungsform nach Fig. 4. Es ist ersichtlich, daß jedes der drei Elemente 4, 5 und 6 eine abwickelbare Oberfläche aufweist. Jedes Element wird flach mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur ausgebildet; dann wer­ den die Elemente ausgeschnitten und miteinander verklebt oder verschweißt.

Die Herstellungskosten sind gering; dies gilt besonders ge­ genüber herkömmlichen Schutzhauben, wenn die Verluste mini­ miert werden sollen: Dies erfordert nämlich die Verwendung eines Materials (im allgemeinen Glasfaser-Teflon), das nur unter großen Schwierigkeiten einteilig geformt werden kann und daher sehr kostenintensiv ist.

Die Fig. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die erfindungs­ gemäße Vorrichtung, nämlich eine Anwendung zum Schutz einer luftgestützten Antenne.

Eine Antenne 70, z. B. eine Flachantenne mit elektronischer Verschwenkung, wird von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung abgedeckt, die mit 71 bezeichnet ist und eine sekundäre Schutzhaube bildet. Die aus der Antenne 70 und der Vorrich­ tung 71 gebildete Einheit ist beispielsweise in der Nase eines Flugzeugs eingeschlossen, die eine Schutzhaube 72 bil­ det. Die Antenne 70 und ihre sekundäre Schutzhaube 71 sind beispielsweise beweglich, wie in Fig. 5 gezeigt, wo die Ach­ se XX der Antenne einen Winkel mit der Achse YY des Flug­ zeugs bildet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Anordnung vor einer Antenne, mit Mitteln, die ein Bandpaßfilter bilden und innerhalb des Frequenzbandes der Antenne angepaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Schutz der Antenne gegen das Erkennen derselben dienen und in solcher Weise ange­ ordnet sind, daß sie den vor der Antenne liegenden Halbraum im wesent­ lichen entlang einer Oberfläche abschließen, die aus nebeneinanderlie­ genden Flächenelementen gebildet ist, wobei sich der Durchmesser der Vorrichtung von einer der Antenne zugewandten Grundfläche zu einer der Antenne abgewandten Spitze hin verringert und die Winkel, die die Flächenelemente mit der Mittelachse der Vorrichtung einschließen, von der Grundfläche zur Spitze hin zunehmen und die Grundfläche der Vor­ richtung einen größeren Durchmesser als die Antenne hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche aus n-1 Kegelstümpfen (5, 6) und aus einem Kegel (4) mit gleicher Achse (XX) besteht, die anein­ ander angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl n gleich drei ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenlängen (L₁, L₂, L₃) des Kegels und der Kegelstümpfe mit zunehmender Entfernung von ihrer gemein­ samen Achse größer werden.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die ein Filter bildenden Mittel zwei leitfähige Ebenen (1, 2) umfassen, die im wesentlichen zueinander parallel sind und jeweils mit darin angebrachten Schlitzen (F) versehen sind, wobei die Geometrie der Gesamt­ heit von Ebenen und Schlitzen so gewählt ist, daß die Mittel innerhalb des Betriebsfrequenzbereiches der Antenne im we­ sentlichen angepaßt, d. h. durchlässig sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (F) eine geschlossene Kurve bilden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Geometrie der Schlitze (F) zwei orthogonale Symmetrieachsen, die in der leitenden Ebene gelegen sind, aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (F) ringförmig sind.