DE2306407C3

DE2306407C3 - Antennensystem hoher Winkelauflösung für Radargeräte mit getrennten Sende- und Empfangsantennen

Info

Publication number: DE2306407C3
Application number: DE2306407A
Authority: DE
Inventors: Frederick C. Topanga Calif. Williams
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-02-14
Filing date: 1973-02-09
Publication date: 1981-11-12
Also published as: SE391985B; GB1405241A; DE2306407A1; JPS5549266B2; DE2306407B2; FR2172188A1; FR2172188B1; JPS4890493A

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem hoher Winkelauflösung für Radargeräte mit getrennten Sende- und Empfangsantennen, die beide von Strahlergruppen gebildet werden und von denen die eine ein Strahlungsdiagramm mit nur einem Hauptzipfel und die andere ein Strahlungsdiagramm mit mehreren Hauptzipfeln aufweist, und mit einer die Ausrichtung der beiden Antennen synchronisierenden elektronischen Schwenksteuerung, die den Hauptzipfel der einen Antenne mit einem ausgewählten Hauptzipfel der anderen Antenne im wesentlichen in Deckung hält.

Solche Antennensysteme, bei denen durch die Deckung von je einem Hauptzipfel der beiden Strahlungsdiagramme eine starke Erhöhung der Empfindlichkeit der Antenne in Richtung dieser beiden Hauptzipfel erzielt wird, ist aus den US-PS 32 73 144 und 32 70 336 bekannt. Bei dem aus der US-PS 32 73 144 w bekannten Antennensystem haben beide Antennen Diagramme mit mehreren Hauptzipfeln, jedoch sind die Antennen so ausgebildet, daß die Hauptzipfel der einen Antenne einen geringeren Abstand haben als die Hauptzipfel der anderen Antenne. Auf diese Weise ist dafür Sorge getragen, daß die Hauptzipfel der beiden Antennen nicht miteinander in Deckung sind, wenn einer der Hauptzipfel der einen Antenne mit einem Hauptzipfel der anderen Antenne zur Deckung gebracht ist. Das Gesamtdiagramm der Antenne weist ω jedoch an den Stellen, an denen die Hauptzipfel der einzelnen Antennen liegen, noch Nebenzipfel erheblicher Größe auf, die leicht zu Meßfehlern beim Einsatz des Radargerätes führen können.

Bei dem aus der US-PS 32 70 336 bekannten Antennensystem weist die Sendeantenne ein Diagramm mit nur einem einzigen Hauptzipfel auf, wogegen die Empfangsantenne ein Diagramm mit mehreren Hauptzipfeln besitzt Der einzige Hauptzipfel der Sendeantenne hat eine Breite zwischen den Null-Stellen, die dem doppelten Abstand zwischen den Haupizipfeln der Empfangsantenne gleich ist Befindet sich ein Hauptzipfel der Empfangsantenne in der Mitte des Hauptzipfels der Sendeantenne, so fallen gleichzeitig die Hauptzipfel der mit den Null-Stellen des Diagrammes der Sendeantenne zusammen. Dieses Ergebnis ist jedoch nicht beabsichtigt, weil bei dem bekannten Antennensystem zum Schwenken des Diagrammes die Empfangsantenne gegenüber der Sendeantenne innerhalb der Breite der Hauptkeule der Sendeantenne um deren halbe Breite verschwenkt werden soll. Dabei findet auch eine Verschiebung der anderen Hauptzipfel der Empfangsantenne gegenüber den Nebenzipfeln der Sendeantenne statt, und zwar von dem Maximum eines Nebenzipfels bis zum Maximum des benachbarten Nebenzipfels. Daß hierbei das resultierende Diagramm, das sich aus der Multiplikation der Diagramme der beiden Einzelantennen ergibt, noch erhebliche Nebenzipfel aufweist, wird bei dem bekannten Antennensystem als nicht störend empfunden. Es wird als ausreichend angesehen, daß das kombinierte Antennendiagramm durch die Überlagerung zweier Hauptzipfel ein eindeutiges Maximum besitzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antennensystem der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß durch eine stärkere Unterdrückung von Nebenzipfeln eine weitere Verbesserung der aus Sende- und Empfangsdiagramm resultierenden Antennencharakteristik erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sendeantenne die Antenne mit nur einem Hauptzipfel und die Empfangsantenne die Antenne mit mehreren Hauptzipfeln ist deren weitere, nicht mit dem Hauptzipfel der Sendeantenne in Deckung gehaltenen Hauptzipfel mit jeder zweiten, dritten usw. Null-Stelle des Strahlungsdiagrammes der Sendeantenne zusammenfallen.

Bei dem erfindungsgemäßen Antennensystem wird eine praktisch vollständige Unterdrückung der weiteren Hauptzipfel der Empfangsantenne in dem Gesamtdiagramm des Antennensystems erzielt, weil die weiteren Hauptzipfel der Empfangsantenne mit Null-Stellen des Diagrammes der Sendeantenne zusammenfallen. Durch die Wahl jeder zweiten, möglicherweise auch jeder dritten, vierten usw. Nullstelle des Diagrammes der Sendeantenne können die Elemente der Empfangsantenne einen relativ großen Abstand haben, so daß die Verbesserung des Antennendiagrammes ohne nennenswerten, zusätzlichen Aufwand erzielt wird. Dabei ist das erfindungsgemäße Antennensystem insbesondere zur Verwendung in Flugzeugen geeignet, weil hier mit wenigen zusätzlichen Antennenelementen, die beispielsweise über die Länge der Tragflächen verteilt werden können, die Winkelauflösung des Antennensystems gegenüber der sonst üblichen, im Bug des Flugzeuges angeordneten Sende-Empfangs-Antenne bedeutend verbessert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines Radargerätes mit einem Antennensystem nach der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Draufsicht auf die Sendend Empfangsantennen und deren Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Antennensystems,

F i g. 3 eine Darstellung der Diagramme der Sende- und Empfangsantennen, welche die Beziehung dieser Diagramme veranschaulicht, und

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer Gruppe von Strahlungselementen zur Erläuterung der Wirkung eines Abstandes dieser Strahlungselemente von mehr als einer Wellenlänge des ausgestrahlten Signals.

Die in F i g. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform eines Radargerätes mit getrennten Sende- und Empfangsantennen umfaßt eine Sendeantenne 10, die elektronisch geschwenkt werden kann, und eine Empfangsantenne 12, bei der es sich um eine Gruppe von Strahlungselementen handelt, die ein Diagramm mit mehreren Hauptzipfeln liefert und elektronisch geschwenkt werden kann. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ist die Sendeantenne 10 eine elektronisch geschwenkte Gruppe von Strahlungselementen der Länge /, die von einer Schwenksteuerung 28 gesteuert wird. Die Empfangsantenne 12 ist als elektronisch geschwenkte Gruppe 15 der Länge L dargestellt, die entweder durch Phasen- oder Frequenzänderung schwenkbar ist Die Sendeantenne 10 hat das Diagramm 14 einer üblichen Antennenanordnung mit einem einzigen Hauptzipfel. Die Empfangsantenne 12 in Form einer Gruppe hat ein Diagramm mit mehreren Hauptzipfeln 16, die innerhalb des Elementdiagramms 17 liegen und auf den großen Abstand der Strahlungselemente, wie beispielsweise der Elemente 18 und 20, zurückzuführen sind. Dieser Abstand ist in jedem Falle größer als die Wellenlänge des HF-Signals. Wegen der Länge L der Empfangsantenne hat jede Hauptkeule <ies Diagramms eine sehr gute Azimutlösung. Die Überlagerung der beiden Diagramme 14 und 16, bei der nur ein Hauptzipfel des Diagramms 16 von den Hauptzipfel des Diagramms 14 überdeckt wird, führt zu einer hohen Azimutauflösung des von getrennten Sende- und Empfangsantennen Gebrauch machenden Radargerätes. Mit der Antenne 10 ist ein Sender 22 gekoppelt. Eine Abtastung ist beispielsweise durch den gesamten Schwenkwinkel der Antenne über einen bestimmten Raumsektor definiert Die Schwenksteuerung 28 liefert auch der Empfangsantenne Steuersignale, um einen Hauptzipfel des Diagramms der Emptangsantenne in die gleiche Richtung wie den Hauptzipfel 14 des Diagramms der Sendeantenne einzustellen. Das Ausgangssignal der Empfangsantenne wird einem Empfänger 32 zugeführt, in dem das Signal verstärkt und verarbeitet wird.bevor es einem Sichtgerät 34 zugeführt wird, bei dem es sich beispielsweise um ein Gerät mit exzentrischer Rundsichtdarstellung handeln kann. Bei der Schwenksteuerung 28 kann es sich um einen nur lesbaren Digital- oder Analogspeicher handeln, der in Abhängigkeit von den Haupttaktimpulsen Phasen- oder Frequenzsteuersignale an die Antenne 12 liefer¹, um die beiden Antennen synchron auszurichten. >5

F i g. 2 zeigt die Sendeantenne 10, bei der es sich um eine am Bug des Flugzeugs befestigte elektronisch geschwenkte Gruppe handelt, und die Empfangsantenne 15, die eine zentrisch zur Sendeantenne 10 an den Tragflächen eines Flugzeugs montierte Gruppe ist. Das bo Sendediagramm wird durch einen Hauptzipfel 40 oder eine Keule charakterisiert, die in die Vorwärtsrichtung weist. Außerdem weist das Sendediagramm in F i g. 2 nicht dargestellte Nebenzipfel auf (siehe Fig.3). Das Empfangsdiagramm umfaßt Hauptzipfel 42, 44 und 46, von denen der Hauptzipfel 42 zu dem Hauptzipfel 40 des Sendediagramms zentrie-t ist. Der große Abstand der Strahlungselemente der Gruppe, der jedenfalls größer ist als die Wellenlänge des von der Sendeantenne ausgestrahlten HF-Signals, führt zu dem mehrere Hauptzipfel umfassenden Empfangsdiagramm, das eine Mehrdeutigkeit der verschiedenen Echosignale zur Folge haben würde, wenn nicht die Keule 40 des Sendediagramms mit dem einen Hauptzipfel 42 des Empfangsdiagramms in Deckung gehalten würde. Das resultierende Diagramm des Radargerätes ergibt sich aus dem Produkt der beiden wesentlich verschiedenen Antennendiagramme anstatt aus dem Quadrat eines Antennendiagramms, wie es bei Radarsystemen mit nur einer Antenne der Fall ist

Die Wechselwirkung zwischen den Sende- und Empfangsdiagrammen ist aus F i g. 3 ersichtlich, in deren linker Hälfte das Sen.dediagramm 50 und das Empfangsdiagsamm 52 im Detail so dargestellt sind, als ob keinerlei Wechselwirkung vorhanden wäre. Das resultierende Diagramm, das sich aus der Multiplikationswirkung des Sende- und Empfangsvorgangs des Radargerätes ergibt, ist in der rechten Seite der Fig.3 dargestellt Hier hat nur der mittlere Hauptzipfel 54 des Empfangsdiagramms eine wesentliche Amplitude. Innerhalb des Hauptzipfels des Sendediagramms und zu beiden Seiten der äußeren Hauptzipfel des Empfangsdiagramms finden sich Empfangs-Nebenzipfel. Die seitlichen Hauptzipfel des Empfangsdiagramms werden im wesentlichen unterdrückt, indem sie erfindungsgemäß in den Bereich der jeweils zweiten Nullstellen des Sendediagramms gelegt werden, also beispielsweise an die Stellen 56 und 58. Außerhalb des Hauptzipfels 50 und der Nullstellen 56 und 58 weist auch das Sendedtagramm Nebenzipfel auf, so daß in diesen Bereichen Nebenzipfel der Sende- und der Empfangsantenne vorliegen. Infolgedessen hat das erfindungsgemäße Radargerät ein kombiniertes Diagramm, das sich aus dem Produkt zweier wesentlich verschiedener Antennendiagramme ergibt, bei denen die Nullstellen des Sendediagramms in bezug auf das Empfangsdiagramm so gewählt sind, daß Hauptzipfel des Empfangsdiagramms im wesentlichen unterdrückt werden, was zusätzlich zu der Unterdrückung der nicht benutzten Zipfel des Empfangsdiagramms durch die richtige Stellung des Hauptzipfels 50 des Sendediagramms erfolgt

Der Winkel zur ersten Nullstelle des Sendediagramms beträgt λ/1, während der Winkelabstand der Hauptzipfel des Empfangsdiagramms λ/ο?= 2 λ/7 ist, wenn, wie in F i g. 1 dargestellt, d der Abstand der Strahlungselemente der Strahlergruppe der Empfangsantenne und / die Ausdehnung der Strahlergruppe der Sendeantenne ist. Der von den Hauptzipfeln 52 und 54 des Empfangsdiagramms bedeckte Winkel ist A/L, wenn L die Länge der Empfangs-Strahlergruppe ist (siehe Fig. 1).

In dem Diagramm nach Fig.4 sind mehrere Strahlungselemente 74, 75, 76 und 77 einer mehrere Hauptkeulen erzeugenden Gruppe dargestellt, die einen Abstand d voneinander haben. Dieser Abstand kann im wesentlichen gleich der halben Längenausdehnung der Sendeantenne 10 sein, so daß d=l/2, damit die Hauptzipfel des Emfpangsdiagramms mit jeder zweiten Nullstelle der Nebenzipfel des Sendediagramms zusammenfallen. Um das Prinzip einer solchen Gruppe bei einem Schwenkwinkel θ zu erläutern, sollen den Strahlungselementen 74 bis 77 die Phasenverschiebungen 0, -Θ, -2 θ und -3 θ zugeordnet sein. Bei normalem Antennenaufbau gibt es keinerlei Mehrdeutigkeit infolge mehrerer Hauptzipfel, weil der Abstand d

etwa λ/2 gleich ist, wenn λ die Wellenlänge des empfangenen oder ausgesendeten HF-Signals ist. Der Abstand d der Elemente ist so gewählt, daß zwei Wellenfronten 85 und 86 aus zwei verschiedenen Richtungen empfangen werden. Die beiden Winkel θ und Θ' sind dur\ h die folgende Beziehung verknüpft

sin θ + sin Θ' = 1 .

Die Entfernung X und der Abstand d sind durch die Beziehung X= d sin θ verknüpft. Die Bedingung für eine eindeutige Ergebnisse liefernde Gruppe mit einem einzigen Hauptzipfel ist

d <

1 +sin©

Bei dem erfindungsgemäßen Radargerät ist jedoch der Abstand d größer als λ, so daß ein Diagramm mit mehreren Hauptzipfeln erzeugt wird. Wenn eine Auslöschung der seitlichen Hauptzipfel erfolgen soll, wird gleichzeitig der Abstand der Strahlungselemente zu den Abmessungen der Sendeantenne in Beziehung gesetzt, so daß der Abstand d gleich 7/2 ist, wenn 1 die Länge der Sendeantenne ist Es ist auch möglich, den Abstand der Strahlungselemente der Empfangsantenne zu 1/3, //4 oder l/n zu wählen, wenn die Hauptzipfel des

Empfangsdiagramms bei jeder dritten, jeder vierten oder jeder n-ten Nullstelle des Sendediagramms erscheinen sollen. Die Winkelausdehnung der Hauptzipfel des Empfangsdiagramms ist KIL, wenn L die Länge der Empfangsantenne ist. Der Winkelabstand der Hauptzipfel beträgt XId, und es ist die Winkelentfernung zwischen den Antennenzipfeln größer als Λ. Es sei erwähnt, daß das System nicht auf eine spezielle Anzahl von Empfangs-Hauptzipfeln beschränkt ist, so daß jeder Abstand zwischen den Strahlungselementen benutzt werden kann, sofern er größer ist als λ und Hauptzipfel des Diagramms ergibt, die mit jeder zweiten, dritten usw. Nullstelle des Diagrammes der Sendeantenne zusammenfallen. So kann beispielsweise die Sendeantenne eine Länge von 60 cm haben und aus Strahiungselementen mit einem Abstand von λ/2 = 1,5 cm bestehen (λ = 3 cm im A"-Band). Bei diesem Beispiel umfaßt die Sendeantenne 60/1,5 = 40 Strahlungselemente. Bei einer 12 m langen Empfangsantenne beträgt der Abstand der Strahlungselemente 112 = 60/2 = 30 cm, und es sind 1200/30 = 40 Strahlungselemente vorhanden. Bei einem üblichen Dipoldiagramm, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, haben die Empfangs-Hauptzipfel einen Abstand von 6°. Es ist zu erwähnen, daß bei einer Sende-Empfangs-Antenne eines üblichen Radargerätes von 12 m Länge 1200/1,5 = 800 Antennenelemente benötigt werden, also eine sehr große Anzahl.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antennensystem hoher Winkelauflösung für Radargeräte mit getrennten Sende- und Empfangsantennen, die beide von Strahlergruppen gebildet werden und von denen die eine ein Strahlungsdiagramm mit nur einem Hauptzipfel und die andere ein Strahlungsdiagramm mit mehreren Hauptzipfeln aufweist, und mit einer die Ausrichtung der beiden Antennen synchronisierenden elektronischen Schwenksteuerung, die den Hauptzipfel der einen Antenne mit einem ausgewählten Hauptzipfel der anderen Antenne im wesentlichen in Deckung hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne (10) die Antenne mit nur einem Hauptzipfel und die Empfangsantenne (12) die Antenne mit mehreren Hauptzipfeln ist, deren weitere, nicht mit dem Hauptzipfel der Sendeantenne in Deckung gehaltenen Hauptzipfel (44, 46) mit jeder zweiten, dritten usw. Null-Stelle (56, 58) des Strahlungsdiagrammes (50) der Sendeantenne (10) zusammenfallen.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente der Empfangsantenne (12) einen Abstand von etwa 2 λ/1 haben, wenn λ die Wellenlänge des von der Sendeantenne abgestrahlten Signals und /die Länge der Sendeantenne (10) ist

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