DE2650603A1

DE2650603A1 - Strahlungsgespeiste phasengesteuerte strahlergruppe

Info

Publication number: DE2650603A1
Application number: DE19762650603
Authority: DE
Inventors: Rafael Dr Reitzig
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-11-04
Filing date: 1976-11-04
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE2650603B2

Description

Strahlungsgespeiste phasengesteuerte Strahlergruppe
Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlungsgespeiste phasengesteuerte Strahlergruppe unter Verwendung eines Primärspeisesystems und einer Vielzahl von Einzelstrahlern, welche aus die Strahlung des Primärspeisesystems auffangenden Kollektorstrahlerelementen und in den Raum abstrahlenden Emitterstrahlerelementen zusammengesetzt sind, wobei sich zwischen den Kollektor- und Emitterstrahlerelementen elektronisch steuerbare Phasenschieber befinden.
Derartige Antennensysteme sind allgemein bekannt, wobei allerdings die Strahlergruppe in einer Ebene liegt. Bei einer ebenen phasengesteuerten Antenne ist der Raumwinkel der elektronischen Strahlabtastung auf maximal # 500 begrenzt. Vor allem in der Radartechnik besteht aber eine echte Notwendigkeit, die Möglichkeit einer hohen Datenrate und veränderbaren Abtaststrategie einer ebenen phasengesteuerten Antenne auch auf ein Rundsichtradar zu übertragen. Bei einem größeren Auslenkwinkel wird jedoch die Strahlungscharakteristik unzulässig verzerrt.
Eine Rundumüberdeckung durch eine einzige ebene phasengesteuerte Antenne ist nur möglich, wenn diese gleichzeitig in der Horizontalebene mechanisch gedreht wird. Ist die mechanische Drehbewegung aufgrund der Systemspezifikationen nicht zulässig, so sind mehrere ebene elektronisch phasengesteuerte Antennen erforderlich, die je einen bestimmten Raumsektor ausleuchten. Ein Antennenkonzept dieser Art hat zwar eine äußerst hohe Systemflexibilität, jedoch ist der Aufwand infolge der Notwendigkeit von mehreren vollständig ausgerüsteten Antennensystemen für die praktische Realisierung zu hoch.
Eine andere bekannte Lösung zur Abtastung eines Weitwinkelbereiches ist die sog. Dome-Antenne nach der Deutschen Offenlegungsschrift 22 62 495. Eine dielektrische Haube über einer ebenen phasengesteuerten Antenne ist dabei so ausgebildet, daß der ausgelenkte Strahl nach Durchlaufen des angestrahlten Bereichs der dielektrischen Haube noch weiter ausgelenkt wird.
Auf diese Weise sind Auslenkwinkel über t 500 hinaus möglich.
Bei dieser bekannten Antenne ergeben sich zwar verhältnismässig geringe Gewinn- und damit auch Nebenzipfelpegelvariationen; es muß aber dafür in Kauf genommen werden, daß der errechnete Gewinn der Dome-Antenne ca. 5 dB niedriger im Vergleich zum Gewinn des nicht ausgelenkten Strahlungsdiagramms der ebenen Apertur liegt. Bei einem Auslenkwinkel von # 70°, ausgehend von der Normalen der Antennenapertur, haben beide Antennentypen etwa den gleichen Gewinn. Bei einem Auslenkwinkel von t 450 beträgt der Gewinnunterschied zwischen der Dome- und der ebenen Antenne noch ungefähr 3 dB. Bei gleicher Zielwahrscheinlichkeit ist somit die maximale Reichweite des Dome-Radars auf 70 % reduziert bzw. bei unveränderter Reichweite ist die vierfache Leistung abzustrahlen. Die Erzeugung von Hochfrequenzleistung ist mit zunehmendem Leistungspegel und wachsender Frequenz ebenfalls sehr aufwendig und damit kostenträchtig. Eine andere Möglichkeit, bei unveränderter Sendeleistung die gleiche Entdeckungswahrscheinlichkeit in gleicher Zielentfernung zu erhalten, besteht darin, den Radarstrahl der Dome-Antenne länger auf das Ziel zu richten. Dadurch wird jedoch der wesentliche Vorteil der elektronisch phasengesteuerten Antenne nämlich die beliebig schnelle Ziel- abtastung, wieder abgebaut. Die Dome-Antenne ist demnach ein Lösungsweg, der nicht sämtliche Forderungen an eine phasengesteuerte Radarantenne befriedigt.
Beim Versuch, die Systemkomplexität mehrer zusammenwirkender ebener phasengesteuerter Antennen zu umgehen, sind leitungsgespeiste zylindrische, konische und sphärische Antennen erprobt worden, die jedoch nicht besonders geeignet sind, da das erforderliche Leitungsnetzwerkerregersystem einschließlich der Amplituden- und Phasensteuerung für große Antennenaperturen äußerst aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antennenkonzept anzugeben, das eine Rundumstrahlbewegung bei gleichzeitiger Strahlbewegung in einem möglichst großen Winkelbereich in der Elevationsebene durch eine strahlungsgespeiste, elektronisch phasengesteuerte Strahlergruppe mit möglichst geringem Aufwand gestattet. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gesamtheit der Einzelstrahler in der geometrischen Oberflächenwand eines sich nach oben verJüngenden Kegelstumpfes verteilt liegt, wobei die Emitterstrahlerelemente nach außen und die Kollektorstrahlerelemente ins Innere des Kegelstumpfes gerichtet sind, und daß das Primärspeisesystem aus mehreren, eine Gruppe bildenden und getrennt einschaltbaren Einzelprimärstrahlern zusammengesetzt ist, welche im Inneren des Kegelstumpfes kreisförmig um dessen Achse angeordnet sind und jeweils einen definierten Sektor der von den Kollektorstrahlerelementen eingenommenen Fläche ausleuchten.
Eine elektronisch gesteuerte Rundumstrahlbewegung ergibt sich, wenn die verschiedenen Einzelprimärstrahler, z.B. Hornstrahler, rundum nacheinander aktiviert werden. Grundsätzlich können zur besseren Ausnützung des Systems zwei gegenüberliegende Sektoren gleichzeitig wirksam sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in zwei Figuren dargestellten AusfUhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 in einer teilweise aufgeschnittenen Schrägansicht eine strahlungsgespeiste phasengesteuerte Antenne für Rundumstrahlbewegung nach der Erfindung, und Fig. 2 eine Prinzipdarstellung dieser phasengesteuerten Antenne zur Erzielung der Rundstrahlbewegung (Querschnittsebene von Fig. 1).
Kreisförmig um eine Achse 1 angeordnete Hornstrahler 2 leuchten nacheinander jeden der den einzelnen Hornstrahler 2 zugeordneten Ausschnitte eines inneren kegelstumpfförmigen Kreiszylinders 3 aus. In Fig. 2 ist der Strahl eines Hornstrahlers 2 durch eine Keule 4 angedeutet. Der kegelstumpfförmige Kreiszylinder 3 ist mit als Kollektor wirkenden Strahlerelementen 5 bestückt. Entsprechend der durch den jeweiligen Primärerreger, d.h. den jeweiligen Hornstrahler 2, definierten Aperturbelegung wird von den Kollektorstrahlerelementen 5 des angestrahlten Sektors Energie aufgenommen und diese nach Durchlaufen von nachgeschalteten Phasenschiebern 6 von auf einem äußeren kegelstumpfförmigen Kreiszylinder 7 angeordneten und als Emitter wirkenden Strahlerelementen 8 wieder abgestrahlt. Die Phasenschieber 6 dienen zur Strahlfokussierung und -auslenkung eines Antennenstrahls 9 innerhalb eines Raumwinkelsektors.
Die beiden Kegelstumpfflächen 3 und 7 verjüngen sich nach oben hin.
Die kegelstumpfförmige Anordnung ist vorteilhaft für eine Strahlabtastung des oberen Halbraumes mit möglichst geringer Verzerrung der Strahlungscharakteristik. Dabei wird der Kegelöffnungswinkel zweckmäßig so gewählt, daß eine möglichst symmetrische Auslenkung in der Elevationsebene gewährleistet ist.
Durch die Bedingung einer möglichst geringen Verzerrung der Strahlungscharakteristik im oberen Halbraum ist auch die Größe des aktiven Sektors bestimmt. Bei einem aktiven Sektor von 900 ist der maximale Auslenkwinkel t 55°. Bei einer Sektorgröße von 600 beträgt der maximale Auslenkwinkel # 490 und bei einer Sektorgröße von 450 dagegen nur + 47°. Die Verzerrungen der Strahlungscharakteristik bei der Strahlauslenkung werden um so geringer, je kleiner der aktive Sektor gewählt wird. Mit kleiner werdendem aktiven Sektor vermindert sich aber auch der Gewinn der Antenne, so daß hierbei ein Kompromiß zu schließen ist. Infolge der kegelstumpfförmigen Apertur bedingt eine Verdopplung der Sektorgröße allerdings nicht eine gleich große Gewinnerhöhung.
Die Größe des aktiven Sektors bestimmt die Anzahl der erforderlichen Primärerreger 2. Bei einem 450-Sektor sind acht Primärerreger 2 notwendig, die bei einer Rundumstrahlbewegung nacheinander erregt werden. Die Umschaltung wird durch eine Schalteranordnung 10, insbesondere schnelle Mikrowellendiodenschalter, vorgenommen (Fig. 2).
Werden gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwei gegenüberliegende Hornerreger 2 gleichzeitig aktiviert, so leuchten diese diametral gegenüberliegende Sektoren der inneren Kegelstumpffläche 3 mit den Kollektorstrahlerelementen 5 aus. Die von den beiden entsprechenden Sektoren des äußeren Kegelstumpfes 7 mit den Emitterstrahlerelementen 8 abgestrahlten Antennenkeulen können dann unabhängig voneinander gesteuert werden. Zur Eliminierung einer möglichen Interferenz mit rilckwärtigen-Strahlungsanteilen ist es vorteilhaft, die beiden sich im Kreis gegenüberliegenden Hornstrahler 2 zeitlich um 90° versetzt zu erregen. Bei einer Ausleuchtung mit den Hornstrahlern 2 sind die aktiven Sektoren infolge der bei Hornstrahlern physikalisch unvermeidlichen Überstrahlung nicht klar voneinander abgegrenzt, sondern sie überlappen sich.
Durch geeignete Steuerung der Phasenschieber 6 außerhalb des aktiven Sektors kann die Überstrahlung auch noch zum Gewinn beitragen. Sämtliche Phasenschieber 6 können also gleichzeitig so aktiviert werden, daß das Antennensystem sowohl vom Gewinn, der Nebenzipfelunterdritckung als auch von der Signalkapazität her einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.
In zweckmäßiger Weise sind die Hornstrahler 2 für die Aus- kopplung eines Summe-Differenz-Signals konzipiert.
Der Abstand der einzelnen Kollektorstrahlerelemente 5 gegeneinander beträgt vorzugsweise eine halbe Wellenlänge. Bei einer kegelstumpfförmigen Antennenstruktur nimmt bei gleichbleibendem Elementabstand die Anzahl der Einzelstrahler von Zeile zu Zeile in Richtung zur Kegelspitze ab. Diese Störung der bei ebenen Gruppen üblichen systematischen Gitterstrukturen kommt dem Strahlungsverhalten, insbesondere einer niedrigen Nebenzipfelvariation bei Strahlauslenkung innerhalb eines Sektorbereichs, zugute.
In vorteilhafter Weise werden die jeweils zusammengehörenden Kollektorstrahlerelemente 5, Phasenschieber 6 und Emitterstrahlerelemente 8 zu Baueinheiten, d.h. Moduln, zusammengefaßt. Die Zahl der Kollektorstrahlerelemente 5 ist dann mit der Zahl der Emitterstrahlerelemente 8 identisch. Die dadurch bedingte Vergrößerung des Kollektorstrahlerelementabstandes um d r/r (d = Abstand der Kollektorstrahlerelemente 5 auf der inneren Kegelstumpffläche 3, r = Radius der inneren Kegelstumpffläche 3 in einer beliebigen Ebene, ar = Abstand der Phasenzentren der Kollektorstrahlerelemente 5 und der Emitterstrahlerelemente 8 in einer Baueinheit) ist hinsichtlich der Erzielung eines höheren Gewinns vorteilhaft, wobei sich bezüglich der Nebenzipfel unmittelbar neben der Hauptkeule und auch für die weiter abliegenden Nebenzipfel keine Verschlechterung ergibt.
12 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche 1. Strahlungsgespeiste phasengesteuerte Strahlergruppe unter Verwendung eines Primärspeisesystems und einer Vielzahl von Einzelstrahlern, welche aus die Strahlung des Primärspeisesystems auffangenden Kollektorstrahlerelementen und in den Raum abstrahlenden Emitterstrahlerelementen zusammengesetzt sind, wobei sich zwischen den Kollektor- und Emitterstrahlerelementen elektronisch steuerbare Phasenschieber befinden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Gesamtheit der Einzelstrahler in der geometrischen Oberflächenwand eines sich nach oben verjüngenden Kegelstumpfes (3, 7) verteilt liegt, wobei die Emitterstrahlerelemente (8) nach außen und die Kollektorstrahlerelemente (5) ins Innere des Kegelstumpfes gerichtet sind, und daß das Primärspeisesystem aus mehreren, eine Gruppe bildenden und getrennt einschaltbaren Einzelprimärstrahlern (2) zusammengesetzt ist, welche im Inneren des Kegelstumpfes kreisförmig um dessen Achse (1) angeordnet sind und jeweils einen definierten Sektor der von den Kollektorstrahlerelementen (5) eingenommenen Fläche ausleuchten.
2. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die verschiedenen Einzelprimärstrahler (2) rundum nacheinander aktiviert werden.
3. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei sich im Kreis gegenüberliegende Einzelprimärstrahler (2) stets gleichzeitig aktiviert sind.
4. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei sich im Kreis gegenüberliegende Einzelprimärstrahler (2) zeitlich um 90° versetzt erregt werden.
5. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Phasenschiebergruppen, die den von den beiden gleichzeitig bzw. um 90° versetzt aktivierten Einzelprimärstrahler (2) angestrahlten Kollektorstrahlerelementsektoren zugeordnet sind, unabhängig voneinander gesteuert werden.
6. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Öffnungswinkel des Kegelstumpfes so gewählt ist, daß sich eine symmetrische Auslenkung in der Elevationsebene ergibt.
7. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Umschaltung der Speiseenergie an die verschiedenen Einzelprimärstrahler (2) schnell schaltende Mikrowellendiodenschalter (10) vorgesehen sind.
8. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -net, daß als Einzelprimärstrahler (2) Hornstrahler vorgesehen sind.
9. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach Anspruch 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auch solche Phasenschieber (6) gesteuert werden, welche Einzelstrahlern (5, 8) zugeordnet sind, die nicht im jeweiligen aktiven Sektor liegen.
10. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach Anspruch 8, g e -k e n n z e i c h n e t durch die Verwendung solcher Hornstrahler, die eine Auskopplung von Summe- und Differenzsignalen gestatten.
11. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Abstand der Kollektorstrahlerelemente (5) etwa eine halbe Wellenlänge beträgt.
12. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die jeweils zusammengehörenden Emitterstrahlerelemente (8), Phasenschieber (6) und Kollektorstrahlerelemente (5) zu Baueinheiten (Moduln) zusammengefaßt sind.