DE69518048T2

DE69518048T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbreiterung des Strahlungsdiagramms einer aktiven Antenne

Info

Publication number: DE69518048T2
Application number: DE69518048T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Marcy; Joseph Roger
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1994-09-23
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: DE69518048D1; FR2725075A1; EP0703638B1; US5774090A; FR2725075B1; EP0703638A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbreiterung des Strahlungsdiagramms einer aktiven Antenne.
Die aktiven Antennen werden zunehmend in Radargeräten verwendet, da sie zahlreiche Vorteile bezüglich der üblichen Antennen mit elektronischer Abtastung aufweisen. Unter diesen Vorteilen seien besonders die Verwendung von Festkörperbauteilen, ein besserer Wirkungsgrad und ein nur langsamer Abfall ihrer Merkmale erwähnt.
Ein anderer Vorteil von aktiven Antennen liegt darin, daß man durch Berechnung die von Elementarquellen der Antenne empfangenen Signale kombinieren kann, um zugleich das Äquivalent einer Vielzahl von Antennendiagrammen zu erhalten. Es handelt sich hier um eine Technik, die unter dem Namen "Formation de Faisceaux par le Calcul" (Strahlformung durch Berechnung) bekannt ist. Dies erfordert, daß der durch diese Gesamtheit von Strahlen überdeckte Raum durch das Radarsendesignal beleuchtet worden war.
Man kann jedoch den Sendestrahl dieser aktiven Antennen nicht stark verbreitern, ohne ihre Eigenschaften zu beeinträchtigen. Ein solcher verbreiterter Strahl ist oft im Bereitschaftsmodus notwendig, insbesondere, um eine ausreichende Meßzeitdauer für günstige Bedingungen bei der Dopplermessungizu gewährleisten (zur Eliminierung von ortsfesten Echos).
Das übliche Verfahren zur Verbreiterung des Strahls mittels Verwendung eines quadratischen Phasengesetzes ist auf eine Verbreiterung um den Faktor 2 wegen des gleichförmigen Beleuchtungsgesetzes beschränkt, das durch die Leistungsverstärker der Radarsender vorgegeben ist, welche ganz allgemein in Klasse C arbeiten, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Man könnte auch in Betracht ziehen, beim Senden einen Teil der Antenne "auszulöschen", aber eine solche Lösung würde große Verbreiterungsfaktoren für den Strahl ausschließen, denn dann sinkt das Produkt aus Sendeleistung und Verstärkung und somit ebenfalls die Reichweite des Radarsignals.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Strahlungsdiagramm einer aktiven Radarantenne so verbreitert werden kann, daß der Verbreiterungsfaktor deutlich größer als zwei sein kann, ohne daß dadurch die Reichweite des Radarsystems verringert oder die Betriebsart der Leistungsverstärker dieses Radarsystems verändert oder das korrekte Strahlungsdiagramm beeinträchtigt würde.
Die Erfindung hat auch ein Radarsystem zum Ziel, das das erfindungsgemäße Verfahren realisiert.
Gegenstand der Erfindung ist also das Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Verbreiterung des Strahlungsdiagramms einer aktiven Antenne mit k · n Spalten oder Zeilen von aktiven Moduln, wobei k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Das erfindungsgemäße Radarsystem enthält einen Sender, einen Empfänger und eine Antenne mit k · n Spalten von aktiven Moduln sowie Phasenschieber gemäß Anspruch 4.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch und vereinfacht einen Teil eines Radarsystems gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Diagramm der Phasenverschiebungen, die sendeseitig auf die verschiedenen Teile der Antenne aus Fig. 1 für den Fall angewandt werden, daß diese Antenne aus drei Teilen besteht.
Fig. 3 ist ein Strahlungsdiagramm der Sendestrahlen abhängig vom Azimutwinkel der erfindungsgemäßen Antenne, auf die die Phasenverschiebungen gemäß Fig. 2 angewandt werden.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Phasengesetze, die beim Empfang auf die erfindungsgemäße Antenne angewandt werden.
Fig. 5 ist ein Strahlungsdiagramm der erfindungsgemäßen Antenne abhängig vom Azimutwinkel.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Verbreiterung des Diagramms einer Antenne in Azimutrichtung beschrieben, aber selbstverständlich könnte es sich auch um eine Verbreiterung in Elevationsrichtung anstelle der Azimutrichtung oder um eine Verbreiterung in beiden Richtungen handeln.
In Fig. 1 ist schematisch eine aktive Antenne 1 gezeigt, die n · m aktive Moduln MA in einer kartesischen Anordnung von n Spalten C1 bis Cn und m Spalten besitzt, wobei die Moduln in jeder Spalte mit MA1 bis MAm bezeichnet sind. Die Moduln MA jeder Spalte sind an einen entsprechenden Spaltenverteiler D1 bis Dn angeschlossen. Jeder dieser Verteiler ist über ein Empfangselement R1 bis Rn an eine Matrix 2 zur Strahlformung, beispielsweise in Azimutrichtung, angeschlossen. Diese Matrix 2 ist entweder eine analoge Strahlformungsmatrix oder eine Matrix zur Formung der Strahlen durch Berechnung. Die Matrix 2 ist an einen nicht dargestellten Radarsender angeschlossen.
In Fig. 2 sieht man ein Beispiel für das Phasendiagramm der sendeseitig an die Antenne 1 angelegten Signale. Für dieses Beispiel ist die Zahl n von Spalten ein Vielfaches von drei. Man betrachtet die Spalten in der Reihenfolge von einer Seite zur anderen. Die Antenne ist in drei aufeinanderfolgende Drittel geteilt, die je die gleiche Anzahl von Spalten enthalten, nämlich das linke Drittel TG, das mittlere Drittel TC und das rechte Drittel TD (siehe Fig. 2). Jedes Drittel empfängt ein Phasengesetz, das linear mit der Abszisse der betreffenden Spalte variiert, aber die Steigung dieser linearen Gesetze variiert von einem Drittel zum nächsten. Jedes Drittel der Antenne erzeugt so einen Richt strahl, dessen Richtung durch die Neigung seines Phasengesetzes definiert ist.
In Fig. 3 sieht man in kartesischen Koordinaten das Diagramm abhängig vom Azimutwinkel der durch die Antenne erzeugten Strahlen, die wie oben anhand von Fig. 2 beschrieben gespeist wird. Man erhält drei im wesentlichen identische Strahlungskeulen, deren Winkelbreite L (bei -3dB) je dem dreifachen Wert der Breite der Keule des Nennstrahls der vollständigen klassischen Antenne gleicht. In dieser Fig. 3 sind die Achsabstände der drei Keulen mit D bezeichnet, wobei D proportional zum Winkel α (siehe Fig. 2) ist. Mit D1 wurde der Abstand zwischen der Achse der zentralen Keule und der Achse A der Antenne bezeichnet, wobei D1 proportional zu α&sub0; ist (siehe Fig. 2).
Die Neigungen der drei Phasengesetze müssen zueinander einen ausreichenden Abstand haben, damit die drei gelieferten Strahlen deutlich getrennt sind und nicht miteinander interferieren. Aus praktischen Gründen kann man davon ausgehen, daß diese Bedingung erfüllt ist, wenn der Abstand zwischen den drei Strahlen den dreifachen Wert der Breite dieser Strahlen bei -3dB überschreitet. So besitzen die drei Strahlen einen ausreichenden Abstand voneinander, um keine gegenseitigen Interferenzen zu erzeugen, und liefern doch ein verbreitertes Sendediagramm (einer Gesamtbreite von neun mal der Breite des Nennstrahls der Antenne).
Es ist günstig, aber nicht unbedingt erforderlich, wenn der Achsabstand zwischen der linken und der mittleren Keule dem Achsabstand zwischen der mittleren und der rechten Keule gleicht. Dies bedeutet, daß der Unterschied zwischen den Neigungen der Phasengesetze zwischen dem linken und dem mittleren Drittel dem zwischen dem mittleren und dem rechten Drittel gleicht (Winkel α in Fig. 2).
Um den ganzen Raum zu beleuchten, in dem das Radarsystem arbeiten soll, reicht es aus, den Winkel α konstant zu halten, wodurch sich der Abstand zwischen den drei Keulen ergibt, und die gewünschte Abtastung des Raums in Azimutrichtung mithilfe der drei Strahlen durchzuführen, indem der Winkel α&sub0; (siehe Fig. 2) verändert wird, der die Richtung des mittleren Strahls definiert.
Beim Empfang bildet man gleichzeitig neun Strahlen, die je eine Keulenbreite gleich der Nennbreite der vollständigen Antenne besitzen. Dies wird mit der Matrix 2 in Fig. 1 erreicht, die gleichzeitig neun unterschiedliche, vorzugsweise lineare Phasengesetze besitzt, mit denen der Winkelbereich, im vorliegenden Fall in Azimutrichtung, überdeckt wird, in dem die Sendeenergie ausgestrahlt wurde. Um die Zeichnung zu vereinfachen, wurden in Fig. 4 nur vier dieser Phasengesetze dargestellt.
Wie man aus Fig. 5 erkennt, werden die Phasengesetze so gewählt, daß man beispielsweise drei Gruppen von je drei benachbarten Strahlen erhält, wobei jede Gruppe eine der verbreiterten Keulen überdeckt, in der die Aussendung erfolgt ist. Im Bereitschaftsmodus verschiebt man global diese so geformten Strahlen (im vorliegenden Fall neun Strahlen), um ohne "Lücken" den überwachten Winkelbereich (in Azimut- und/oder Elevationsrichtung) abzudecken. Diese Verschiebung erfolgt durch gleichzeitige Veränderung der Phasen der Gruppen von Strahlen.
Ganz allgemein betrachtet, erhält man erfindungsgemäß eine Verbreiterung der Breite des Ursprungsstrahls um n², wenn man eine Antenne mit k · n Spalten (oder Zeilen) in n benachbarte gleiche Gruppen unterteilt. In der Praxis kann diese Verbreiterung die Werte 1, 4, 9, 16, 25... annehmen.
Natürlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mit den klassischen Verfahren zur Verbreiterung von Strahlen kombiniert werden.

Claims

1. Verfahren zur Verbreiterung des Strahlungsdiagramms einer aktiven Antenne mit k · n Spalten oder Zeilen von aktiven Moduln, wobei k eine ganze Zahl größer/gleich eins ist, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Antenne in n benachbarte Gruppen von k Spalten zu unterteilen, sendeseitig an jede der Gruppen ein Signal mit einem eigenen Phasengesetz zur Formung von n Sendestrahlen anzulegen und empfangsseitig n² gleichzeitige Strahlen zu formen, die je eine Winkelbreite gleich der Winkelbreite des Nennstrahls der vollständigen Antenne besitzen, wobei die Phasenverschiebungen bezüglich dieser Strahlen je einem anderen Gesetz folgen und die Gesamtheit der Sende- und Empfangsstrahlen global verschoben wird, um den gesamten gewünschten Winkelbereich zu überdecken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig mindestens ein Teil der Phasengesetze linear ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß empfangsseitig mindestens ein Teil der verschiedenen Phasengesetze linear ist.

4. Radarsystem mit einem Sender, einen Empfänger und einer Antenne, die k · n Spalten oder Zeilen von aktiven Moduln und Phasenschieber enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender Schaltungen besitzt, die für jede der n benachbarten Gruppen von k Spalten aktiver Moduln (MA) unterschiedliche Steuersignale an die entsprechenden Phasenschieber (D1, ..., Dn) anlegen, daß der Empfänger an eine Strahlformungsmatrix (2) angeschlossen ist und daß die Phasenschieber und die Matrix gemäß dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 gesteuert werden.

5. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungsmatrix durch Berechnung gesteuert wird.

6. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungsmatrix analog gesteuert wird.