DE4206797A1 - Radarantennensystem - Google Patents
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Abstract
Ein Radarantennensystem enthält Antennenelemente, die in einer aktiven Matrix angeordnet sind. Die Elemente liegen dabei in vorbestimmten Gruppen, so daß eine einzelne Gruppe elektronisch innerhalb der gesamten Matrixöffnung ausgewählt werden kann. Die Auswahl wird mit Hilfe eines variablen Dämpfungsmittels bewirkt. Dadurch wird eine Phasendifferenz zwischen direkten Reflexionen und Mehrwegreflexionen erzeugt, so daß die Radarinformation aus einer Direktreflexion von der Radarinformation aus einer Mehrwegereflexion unterschieden werden kann.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Radarantennensystem. Insbesondere bezieht sie sich auf eine aktive Antennenmatrix, die zur Verfolgung einer Zielposition im Raum elektronisch geschwenkt werden kann. Die Erfindung ist auf Verfolgungs- und Multifunktions-Radargeräte anwendbar, die beispielsweise in Waffensystemen, in Mikrowellen-Landesystemen, in Radargeräten für die Luftfahrt und die Raumfahrt angewendet werden können.
- In einem herkömmlichen Radargerät wird bei der Zielverfolgungsfunktion häufig von einem kreissymmetrischen Reflektorsystem Gebrauch gemacht, das ein bleistiftförmiges Strahlenbündel erzeugt, das mechanisch in Azimuth- und Höhenwinkelrichtung gelenkt wird. In einer Alternativkonstruktion wird eine passive, phasengesteuerte Matrix mit einem einzigen, aus konzentrierten Elementen aufgebauten Sender angewendet, dessen Ausgangsleitung in die Elemente einer elektronisch steuerbaren Antennenmatrix eingespeist wird. Die Speiseanordnung enthält Hochleistungs-HF-Signalnetzwerke mit Phasenschiebern zum Senden und ein ähnliches Netzwerk für die Empfangsfunktion. Die Antennenmatrix kann dann im Raum ein einziges HF- Signalstrahlenbündel oder mehrfache HF-Signalstrahlenbündel erzeugen.
- Sowohl die mechanisch lenkbaren Antennen als auch die elektronisch lenkbaren Antennen können durch Reflexionswirkungen oder Mehrwegesignale von der Boden- oder Meeresoberfläche zwischen einem verfolgten Ziel und dem Radargerät beeinträchtigt werden. Die Wirkung dieser Mehrwegesignale besteht darin, daß die Fähigkeit des Geräts, das sich aus der Reflexion ergebende Abbild des Ziels zu verfolgen, verschlechtert wird.
- Es sind verschiedene Verfahren bei dem Versuch angewendet worden, dieses Problem zu überwinden. Ein vorgeschlagenes Verfahren besteht darin, das Verfolgungsstrahlenbündel so zu formen, daß der Anteil der in Richtung auf die Land- oder See-Oberfläche ausgesendeten Radarenergie auf ein Minimum verringert wird. Die Verbesserung des Verhaltens ist dabei durch die verfügbare Antennenöffnung begrenzt und durch die Freiheit, mit der das Strahlungsdiagramm ohne Verlust des Verfolgungsverhaltens des Radarsystems genügend geformt werden kann.
- Ein anderes Verfahren besteht darin, mit einem sehr breitbandigen Betrieb zu arbeiten. Diese Möglichkeit wird allerdings wegen der sehr großen Bandbreite, die erforderlich sein kann, um Nutzsignale von Störsignalen zu dekorrelieren, nicht favorisiert; auch die Kosten der Hardware zur Erzielung der großen Bandbreite sind ein Hindernis.
- Mit Hilfe der Erfindung soll ein Radarsystem geschaffen werden, mit dessen Hilfe Phasenunterschiede zwischen den Nutz- und Störsignalen ausgenutzt werden können.
- Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Radarantennensystems mit einer aktiven Antennenmatrix aus Antennenelementen, die jeweils direkt mit einem HF-Sende/Empfangs-Modul verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Block aus einem oder mehreren Elementen innerhalb der Matrix als eine erste Elementgruppe betrachtet wird, daß ein zweiter Block aus Elementen als eine zweite Elementgruppe betrachtet wird, daß ein Radarsignal von einer der Elementgruppen ausgesendet wird, daß ein Rückkehrsignal von der gleichen oder einer anderen Elementgruppe empfangen wird, und daß ein Radarempfänger elektronisch zwischen der ersten und der zweiten Elementgruppe so umgeschaltet wird, daß eine Phasendifferenz zwischen einer direkten Reflexion und einer Mehrwegereflexion des ausgesendeten Signals erzeugt wird, wobei die Phasendifferenz ermöglicht, eine Radarinformation von einer Direktreflexion von einer auf eine Mehrwegereflexion zurückzuführenden Radarinformation zu unterscheiden.
- Vorzugsweise kann vorgesehen sein, daß zwei oder mehr Elementgruppen der Matrix so angeordnet werden, daß das Phasenzentrum der Antenne sowohl vertikal als auch horizontal innerhalb der Antennenfläche bewegt werden kann. Dabei kann vorgesehen werden, daß die Elementgruppen so angeordnet werden, daß das Antennenphasenzentrum zirkular oder elliptisch innerhalb der Matrixfläche gedreht werden kann.
- Ferner ist nach der Erfindung ein Radarantennensystem mit Antennenelementen, die in einer aktiven Matrix angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente in vorbestimmten Gruppen liegen, so daß einzelne Gruppen elektronisch innerhalb der gesamten Matrixöffnung ausgewählt werden können, wobei die Auswahl mit Hilfe eines variablen Dämpfungsmittels bewirkt wird. Das variable Dämpfungsmittel kann aus einem HF-Signalzuführungsnetzwerk oder aus einem Schalter bestehen.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 eine Skizze einer Radarantenne und eines Ziels zur Veranschaulichung der Geometrie, bei der eine Mehrwegereflexion auftreten kann,
- Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Radarantenne in Form einer linearen Matrix und
- Fig. 3 eine ebene Antennenmatrix, wobei veranschaulicht wird, wie ein Phasenzentrum der Matrix zu verschiedenen Positionen innerhalb der gesamten Matrixfläche bewegt werden kann.
- Die besonderen Bedingungen, unter denen eine Mehrwegereflexion stattfinden kann, sind in Fig. 1 dargestellt. Eine Radarantenne 1 richtet ein Verfolgungsstrahlenbündel 2 gegen ein Ziel 3. Das Ziel 3 reflektiert dann einen Teil des Strahlenbündels 2 längs des gleichen Wegs zur Antenne 1 zurück. Das resultierende Nutzsignal dient beim Empfang an der Antenne 1 dazu, die Verfolgung des Ziels 3 durch das Radarsystem zu ermöglichen. In dieser Situation hat nur eine einfache Reflexion des Verfolgungsstrahlenbündels stattgefunden.
- Wenn das Ziel 3 von der Antenne 1 durch eine horizontale Fläche 4, beispielsweise eine Land- oder Meeresoberfläche, getrennt ist, besteht die Möglichkeit, daß ein weiterer Teil des Strahlenbündels 2, der vom Ziel 3 gestreut wird, von dieser Oberfläche reflektiert wird und einen anderen Weg zurück zur Antenne 1 nimmt. Das daraus resultierende, doppelt reflektierte Strahlenbündel 6 bewirkt beim Empfang an der Antenne 1 eine Störung oder zumindest eine Reduzierung der Klarheit der aus dem Nutzsignal gewonnenen Information. Da mit der Antenne 1 in der Praxis kein wirklich schmales einzelnes Strahlenbündel erzeugen kann, das sich längs einer geraden Linie zum Ziel 3 bewegt, besteht die Möglichkeit, daß ein Teil des Ausgangsstrahls zuerst von der Oberfläche 4 reflektiert wird, dann auf das Ziel 3 auftrifft und längs des gleichen Wegs zur Antenne 1 reflektiert wird. Dies ist eine zusätzliche Situation, bei der eine Mehrwegereflexion auftreten kann.
- Die Möglichkeit der Mehrwegereflexionen wird natürlich stark erhöht, wenn sich das Ziel 3 nur in geringem Abstand von der Oberfläche 4 befindet. Dies macht es dem Radarsystem besonders schwer, die aus den Reflexionen erhaltenen Ergebnisse richtig zu interpretieren.
- Fig. 2 zeigt eine Antennenkonstruktion in Form einer linearen Matrix, bei der das Phasenzentrum zum Dekorrelieren der Nutzsignale von den Störsignalen bewegt werden kann. Die Fig. 2 zeigt dabei acht Antennenelemente 6, die jeweils einem Sende/Empfangs-Modul 7 zugeordnet sind, das mit einer Steuereinheit 8 gekoppelt ist. Die Steuereinheiten 8 sind über Leitungen 9 mit einem Strahllenk-Steuercomputer verbunden. Die zu empfangenden oder zu sendenden Signale werden von allen Steuereinheiten 8 kombiniert und bilden dann ein HF-Eingangs/Ausgangs-Signal an der Leitung 11.
- Beim Betrieb der Matrix können die Signale an den Leitungen 9 aus dem Steuercomputer aus der Gesamtzahl der Elemente der Matrix nur die obersten vier Elemente auswählen. Diese Gruppe von Elementen wird als Elementgruppe A bezeichnet, wie in Fig. 2 angegeben ist. In gleicher Weise sind eine weitere Gruppe von Elementen durch den Buchstaben B und eine dritte Gruppe durch den Buchstaben C angegeben. Natürlich könnte der Computer aus den insgesamt acht in diesem Beispiel erwähnten Elementen weitere Vierergruppen auswählen. Zusätzlich kann der Computer schnell zwischen der Elementgruppe A und der Elementgruppe C umschalten, um die Phasenbeziehung zwischen den ausgesendeten und empfangenen Signalen und den unerwünschten Mehrwegesignalen zu verändern.
- Fig. 3 zeigt eine ebene Antennenmatrix 12, in der bestimmte Gruppen von Elementen dargestellt sind, die an verschiedenen Zeitpunkten erregt werden können. Aus der Gesamtheit der neunundvierzig Elemente in der Matrix können vier Gruppen aus je neun Elementen zusammen erregt werden, wobei diese Gruppen durch die Buchstaben A, B, C und D gekennzeichnet sind. Innerhalb der Matrix gibt es natürlich eine große Vielfalt für die Erregung verschiedener Gruppen aus neun Elementen oder für die Auswahl weiterer Gruppen aus beispielsweise einem, zwei, drei, vier oder sechzehn Elementen. Das Ziel einer solchen Auswahl ist es, die Phasenmitte der ausgesendeten oder empfangenen Signale so über die Fläche der Matrix bewegen zu können, daß dem System ein weiteres Mittel zur Unterscheidung zwischen Nutzsignalen und den unerwünschten Mehrwegesignalen zur Verfügung gestellt wird.
- In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Bewegung der Antennenposition zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich sein kann, was eine Modulation des empfangenen Signals verursacht, wenn Nutzsignale und Störsignale ihre relativen Phasen ändern. Die Amplitude und die Phase des Nutzsignals können aus der Kenntnis der Amplitude und der Phase des modulierten Signals berechnet werden.
- Die Auswirkung von Mehrwegereflexionen in Radarsystemen kann nicht nur vom Signalreflexionspunkt in der vom Ziel, vom Reflexionspunkt und der Radarantenne gebildeten Elevationsebene schwerwiegend sein, sondern auch von Reflexionspunkten, die in Azimutrichtung verteilt sind. Das hier beschriebene Verfahren unterstützt sehr stark den Prozeß der Trennung von Nutzsignalen und Störsignalen, die von einer Anzahl von Azimutreflexionen kommen. In diesem Fall kann die Antennenöffnung elektronisch in der Horizontal- und der Vertikalrichtung bewegt werden. Eine zirkulare oder elliptische Drehung des Matrixphasenzentrums bewirkt eine Modulation des Signals zur Dekorrelierung der Mehrfachreflexionen.
- Die obige Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgte lediglich beispielshalber; im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungen möglich. Beispielsweise ist es nicht notwendig, daß die Antennenmatrix gänzlich statisch arbeitet, so daß alle Strahlbewegungen ausschließlich auf elektronischem Wege herbeigeführt werden; die Matrix könnte zusätzlich auch noch mechanisch zum Lenken des Strahlenbündels bewegt werden.
Claims (8)
1. Verfahren zum Betreiben eines Radarantennensystems mit
einer aktiven Antennenmatrix aus Antennenelementen, die
jeweils direkt mit einem HF-Sende/Empfangs-Modul verbunden
sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Block aus
einem oder mehreren Elementen innerhalb der Matrix als eine
erste Elementgruppe betrachtet wird, daß ein zweiter Block
aus Elementen als eine zweite Elementgruppe betrachtet wird,
daß ein Radarsignal von einer der Elementgruppen ausgesendet
wird, daß ein Rückkehrsignal von der gleichen oder einer
anderen Elementgruppe empfangen wird, und daß ein
Radarempfänger elektronisch zwischen der ersten und der zweiten
Elementgruppe so umgeschaltet wird, daß eine Phasendifferenz
zwischen einer direkten Reflexion und einer Mehrwegereflexion
des ausgesendeten Signals erzeugt wird, wobei die
Phasendifferenz ermöglicht, eine Radarinformation von einer
Direktreflexion von einer auf eine Mehrwegereflexion
zurückzuführenden Radarinformation zu unterscheiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Antennenelemente des zweiten Blocks einige Elemente enthalten,
die in dem ersten Block vorhanden sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei oder mehr Elementgruppen der Matrix so angeordnet
werden, daß das Phasenzentrum der Antenne sowohl vertikal als
auch horizontal innerhalb der Antennenfläche bewegt werden
kann.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elementgruppen so angeordnet werden, daß das
Antennenphasenzentrum zirkular oder elliptisch innerhalb der Matrixfläche
gedreht werden kann.
5. Radarantennensystem mit Antennenelementen, die in einer
aktiven Matrix angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elemente in vorbestimmten Gruppen liegen, so daß einzelne
Gruppen elektronisch innerhalb der gesamten Matrixöffnung
ausgewählt werden können, wobei die Auswahl mit Hilfe eines
variablen Dämpfungsmittels bewirkt wird.
6. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das variable Dämpfungsmittel von einem
HF-Signalrückkopplungsnetzwerk gebildet ist.
7. Antennensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das variable Dämpfungsmittel aus einem Schalter besteht.
8. Radargerät, enthaltend ein Radarantennensystem nach einem
der Ansprüche 5 bis 7.
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