DE2756703C2 - Radarantenne mit einer Parallelplattenlinse - Google Patents
Radarantenne mit einer ParallelplattenlinseInfo
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- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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Description
cosfZ,+ (*-!) g]
1 -
worin bedeuten:
2 [Z, + (A:- 1)
ML}'
_ kn , . n
Z, = -— + iT
25
30
i = 0,1,2,3 ...(/-1), rjid gib- an, welcher von den
/-diskreten Winkeln zwischen 0k und β* + , bei
Berechnung von Wu betrachtet srird,
k = 1,2,3... K; wobei K eine ungerade Zahl ist und die maximale Zahl der gleichzeitig erregten Primärstrahler darstellt, und k angibt, welcher der tf-Primärstrahler bei Berechnung von ^,betrachtet wird. 2. Radarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arte Primärstrahler (16 a) von dem A:+l'ten Primärstrahler (16 a) derart im Abstand angeordnet ist, daß der durch Erregung de* Arten Primärstrahlers (16 a) ausgestrahlte Strahl zu dem Strahl, der durch Erregen des k+ l'ten Primärstrahlers (16 a) ausgestrahlt wird, eine minimale wechselseitige Kopplung aufweist.
k = 1,2,3... K; wobei K eine ungerade Zahl ist und die maximale Zahl der gleichzeitig erregten Primärstrahler darstellt, und k angibt, welcher der tf-Primärstrahler bei Berechnung von ^,betrachtet wird. 2. Radarantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arte Primärstrahler (16 a) von dem A:+l'ten Primärstrahler (16 a) derart im Abstand angeordnet ist, daß der durch Erregung de* Arten Primärstrahlers (16 a) ausgestrahlte Strahl zu dem Strahl, der durch Erregen des k+ l'ten Primärstrahlers (16 a) ausgestrahlt wird, eine minimale wechselseitige Kopplung aufweist.
50
Die Erfindung betrifft eine Radarantenne, insbesondere für Zeilenradaranwendung, mit einer Parallelplattenlinse,
die durch mehrere einzeln erregbare, entlang eines Brennpunktbogens angeordnete Primärstrahler
gespeist ist und an ihrem Ausgang mit einer Strahlergruppe verbundene Sonden aufweist, mit einer Einrichtung
zur gleichzeitigen Erregung mehrerer benachbarter Primärstrahler, wobei eine Erregung des Arten Primärstrahlers
zu einem Strahl mit einem Winkel Sk und
eine Erregung des k+ l'ten Primärstrahlers zu einem Strahl mit einem Winkel 0*+, führt.
Eine derartige Radarantenne ist aus der US-PS 45 580 bekannt. Hierbei sind fünf Primärstrahler vorhanden,
und es ist darauf hingewiesen, daß jeder Primärstrahier, sofern er allein erregt wird, einen eigenen
Strahl unter einem zugeordneten Winkel erzeugt. Es ist auch der Fall in Betracht gezogen, daß gleichzeitig mehr
als ein Primärstrahler gespeist wird, wobei dann der von der Radarantenne erzeugte Strahl aus der algebraischen
Summe der einzelnen Strahler besteht.
In der gleichen Veröffentlichung ist auch eine Radarantenne dieser Art mit einer Einrichtung zur einstellbaren
Erregung von zwei benachbarten Strahlern beschrieben und dargestellt, mit der es möglich ist, den
Antennenstrahl nicht nur in eine untere und obere Grenzstellung zu schwenken, sondern auch durch
unterschiedliche »Bewertungen« der diesen beiden Strahlern zugeführten Speiseenergie eine Feinabtastung
in drei dazwischenliegenden Richtungen vorzunehmen. Da die restlichen drei Strahler dabei ständig
eingeschaltet bleiben, besteht diese bekannte Feinabtasiung
jedoch nur in der Feinabtastung eines einzigen Grobschrittes und bezieht sich nicht auf die den anderen
drei Primärstrahlern bei deren Einzelspeisung entsprechenden Strahlrichtungen.
Es handelt sich also nicht um eine durchgehende Weitwinkel-Strahlschwenkung, und es wird auch, da
eine gerade Zahl von Primärstrahlern gleichzeitig mit veränderbarer Bewertung erregt wird, der resultierende
Strahl verzerrt.
Die Radarantenne nach der Erfindung gehört zu den in der US-PS 31 70 158 beschriebenen Rotman-Linsenantennen.
Eine solche Rotman-Linsenaatenne umfaßt mehrere einzeln erregbare, entlang eines Brennpunktbogens
angeordnete Primärstrahler. Wenn diese Primärstrahler erregt werden, um elektromagnetische
Energie in die parrilele Plattenzone einzuspeisen, und
zwar einer nach dem anderen, so wird der resultierende Strahl durch den Raum in bestimmten Schritten
geschwenkt, deren Winkeltrennung direkt auf die Winkeltrennung zwischen den benachbarten Primärstrahlern
bezogen ist. Es ist natürlich wünschenswert, daß die zuvor erwähnten Schritte so klein wie möglich sind,
da die Positionsermittlung im Falle eines Flugzeugs mit zunehmender Winkeltrennung bzw. Abstand zwischen
den einzelnen Primärstrahlein schlechter wird. Kurz gesagt, schafft ein weich oder sanft kommutierter Strahl
den höchsten Grad an Sicherheit hinsichtlich der Position des betreffenden Flugzeugs, so daß die Forderung
nach relativ dicht beieinander angeordneten Primärstrahlern entsteht. Wenn jedoch die Primärstrahler zu
dicht nebeneinander angeordnet werden. Führen benachbarte Primärstrahler gegenüber einem erregten
Primärstrahler zu parasitären Erscheinungen, und es wird dabei die resultierende Strahlform verzerrt.
Eine Einrichtung zur Erzeugung eines gut geformten weich kommutierten Strahls kann dann erhallen werden,
wenn man einen Primärstrahler anstelle von mehreren Primärstrahlern verwendet, wobei dieser eine Primärstrahler
entlang des Brennpunktbogens der Linse bewegt wird. Dieser Typ einer Parallelplattenlinse
erfordert jedoch einen unerwünschten Mechanismus Für die Erzeugung der mechanischen Bewegung.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Radarantenne der eingangs genannten Art
zu schaffen, welche eine weiche oder sanfte Weiterschaltung des Radarstrahls ermöglicht, ohne daß der
Radarstrahl verzerrt wird.
Ausgehend von der Radarantenne der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Einrichtung zur gleichzeitigen Erregung mehrerer benachbarter Primärstrahler zur
Durchführung der Abtastbewegung des Strahls in /-Schritten zwischen Qk und Qk + 1 derart ausgebildet ist,
daß sie den gleichzeitig erregten Primärstrahlern die
Energie in einer Aufteilung gemäß dem Bewertiwgsfaktor
Ψ,α zufuhrt, wobei
Wu =
cos [Z, +
ik-1) n]
1 worin bedeuten:
2
[Z1
+ (Ar-I)
π]Υ
10
/ = 0,1,2,3... (7-1), und gibt an, welchervon den/-diskreten
Winkeln zwischen Qk und 6k +1 bei Berechnung
von Wki betrachtet wird,
Jt = 1,2,3... K; wobei .if eine ungerade Zahl ist und die
maximale Zahi der gleichzeitig erregten Primärstrahler darstellt, und Ar angibt, welcher der AT-Primärstrahlerbei
Berechnung von Wkl betrachtet wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
ergibt sich aus dem Unteranspruch.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf eine bekannte Rotman-Linsenantenne;
F i g. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Längsachse der Linsenantenne von Fig. 1;
Fig. 3 die Innenfläche einer der Platten, welche eine
bekannte Rotman-Linse bilden und welche die Primärstrahler und die Ausgangssonden enthält;
Fig. 4 ein Konzept einer Rotman-Linsenantenne zur
Erläuterung der Erfindung und bestimmter Parameter derselben;
Fig. 5 in einem willkürlichen Abstand zueinander verlaufende sin χΛ-Strahlen, wobei diese Figur zur
Erläuterung dient, auf welche Weise der optimale Primärstrahlerabstand
berechnet wird;
Fig. 6 e'i Diagramm der Strahlintensität in Abhängigkeit
von sin θ für Strahlen mit minimaler wechselseitiger Kopplung,
F i g. 7 ein Fernfeld Richtdiagramm für Strahlen, die
durch zwei benachbarte gleich erregte Primärstrahler erzeugt wurden;
Fig. 8 eine Tabelle der Bewen jngsfaktoren, die in Einklang mit der Lehre der Erfindung berechnet wurde;
Fig. 9 ein abgewandeltes Blockschaltbild, welches zeigen soll, aufweiche Weise die Bewertungen bei einer
erfindungsgemäßen Antenne realisiert werden können;
Fig. 10 eine Tabelle der relativen Energie, welche den Prin.ärstrahlern in einer tatsächlich gebauten Linsenantenne
zugeführt wird, um einen Abtaststrahl im Sinne der Erfindung zu erzeugen.
In den Zeichnungen sind gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. In den Fig. 1 und 2 ist eine Parallelplattenlinse
gezeigt, die Platten 10 und 12 besitzt. Eine Längsachse 14 durchsetzt die Linse, und Fig. 2 zeigt eine
Schnittdarstellung entlang dieser Achse. Die Platten 10 und 12 sind durch Endplatten 24 und 26 auf der
Eingabeseite 16 und der Ausgabeseite 18 jeweils getrennt, so daß eine Parallelplattenzone entsteht und
auch ein geschlossener Raum 30 gebildet wird. Die Endplatten 24 und ?6 sind gekrümmt, so daß sie parallel
dem Brennpunktbogen 20 und der Ausgangssonden-Kontur 22 folgen.
Mehrere Primärstrahler 16 0, von denen nur einer in Fig. 2 gezeigt ist, sind in die Platte 10 entlang des
Brennpunktbogens 20 eingesetzt. Jeder Primärstrahler 16 α besteht aus einer Isolierhülse 16 b und einem elektrisch
leitenden Durchfuhrstift 16 c, dessen eines Ende in den Hohlraum 30 ragt und dessen anderes Ende, wie
schematisch gezeigt ist, über ein Kabel 32, welches in geeigneter Weise ein Koaxialkabel ist, mit einem
Anschluß 32 a verbunden ist
Wie dem Fachmann bekannt, sind die Anschlußvorrichtur.gen
32 a mit einer Mikrowellenfrequenzquelle verbunden, deren Energie auf die verschiedenen
Anschlußvorrichtungen 32 a in Einklang mit der gewünschten Abtastrichtung des resultierenden Strahls
verteilt wird.
Mehrere Ausgangssonden 18 α, von denen nur eine in Fig. 2 gezeigt ist, sind in die Platte 10 entlang der äußeren
Sondenkontur 22 eingesetzt Die Ausgangssonden sind ähnlich den Primärstrahlern 16 α ausgeführt, so daß
also jede Ausgangssonde 18 α aus einer Isolierhülse 18 b
und einem elektrisch leitenden Durchführstift 18 c besteht, dessen eines Ende in den L· ihlraum 30 ragt und
dessen anderes Ende über ein Kabel 3·Λ weiches in geeigneter
Weise aus einem Koaxialkabel besteht, mit einem Strahler 34 α verbunden ist Die Strahler 34 α bilden
eine lineare Gruppe, welche einen resultierenden Strahl .n den Raum senden. Die äußeren Leiter 32 b und
346 der Koaxialkabel 32 und 34 sind in herkömmlicher Weise an Masse angeschlossen.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Hohlraum 30 der
Fig. 2, wobei die Platte 12 entfernt ist Wie zu erkennen ist, sind die Primärstrahler 16 a durch die Platte 10 entlang
des Brennpunktbogens 20 eingesetzt, während die Ausgangssonden 18 a über die Platte 10 entlang der
äußeren Sondenkontur 22 eingesetzt sind. Es sind auch Endplatten 24 und 26 gezeigt.
Fig. 4 veranschaulicht das Konzept der Mikrowellenlinsenantenne
der vorangegangenen Figuren, welches einen Brennpunktbogen 20 mit dem Radius Λ, und eine
Ausgangskontur 22 umfaßt In bevorzugte· Weise besitzt der Bogen 20 und die Kontur 22 eine Symmetrie
um die Längsachse 14. Die Strahlerelemente 34 α sind gewöhnlich im gleichen Abstand entlang der Antennenöffnung
D angeordnet. Die Strahlerelemente 34 a
sind kolinear und bilden somit eine gerade Gruppe. Die Antennenöffnung D ist bei dieser Ausführungsform der
gerade Abstand zwischen den Endelementen 34 a plus der Hälfte des Elementabstands an jedem Ende. Das
Verfahren zur Ermittlung der Länge des Radius Ru der
Form der Kontur 22 und des Abstands der Ausgangssonden 18 α auf dieser Kontur zusammen mit den Längen
der Kabel 34 v/nd den Lagen der Strahlerelementen 34 α ist der Fachwelt gut bekannt und braucht hier p>cht
erläutert zu werden.
L m die Indices in den Berechnungen, die gezeigt werden
sollen, zu vereinfachen, sind die Primärstrahler in dieser Figur von dem Primärstrahler P I aus numeriert,
der willkürlich auf der Längsachse 14 angeordnet ist, und zwar bis zum Primärstrahler m an einem Ende
des Brennpunktbogens 20 und bis zum Primärstrahler -m auf dem anderen Ende des Brennpunktbogens,
wobei auch die Primärstrahler k- 1, k, λ* 1 und ic+ 2
veranschaulicht sind. Es sei darauf hingewiesen, daß nur der Übersichtlichkeit halber ein Primärstrahler aaf
der Längsachse veranschaulicht ist. In der Praxis kann ein Prinväistrahle" in der erwähnten Weise angeordnet
sein oder nicht, wie dies aus dem Verständnis des Wesens der Erfindung für den Fachmann hervorgeht.
Wie bekannt, wird dann, wenn nur ein
Primärstrahler k erregt wird, und zwar mit der geeigneten Mikrowellenfrequenz, und wenn man parasitäre
Effekte der nicht erregten Primärstrahler außer Acht läßt, ein Strahl von der Antennenanordnung mit einem
Winkel Θ* unter der Längsachse 14 ausgesendet, wenn
der Primärstrahler k in einem Winkel 9k über der
Längsachse 14 gelegen ist. Auf ähnliche Weise wird dann, wenn nur der Primärstrahler k + 1 erregt wird, der
abgegebene Strahl in einen neuen Winkel 0t +,
unterhalb der Längsachse verschoben, wenn der Primärstrahler k + 1 in einem Winkel Θ*. j oberhalb der
Längsachse gelegen ist.
Damit eine minimale parasitäre Wechselwirkung zwi-
Damit eine minimale parasitäre Wechselwirkung zwi-
sehen den Primärstrahlern auftritt, ist es erforderlich,
daß eine minimale wechselseitige Kopplung zwischen benachbarten Primärstrahlern vorhanden ist. £s sei die
Fig. 5 betrachtet, in welcher in dem χ - nD>k
sin Θ-Raum der Strahl gezeigt ist, der von der Erregung des Primärstrahlers k resultiert und auch ein weiterer
Strahl gezeigt ist, der von der Erregung des Primärstrahlers Ac+1 resultiert. Die Strahlen haben einen
willkürlichen Abstand »α« zueinander, der dem tatsächlichen Winkelabstand zwischen den zwei Primärstrahlern
entspricht. Das Kriterium für eine minimale wechselseitige Kopplung zwischen den Primärstrahlern
k und k+\ ist wie folgt:
\Wt ψ] ,„♦ }[„..,
sin(x-o)T (x-a) J
sin (x-ο)
(χ-α)
(χ-α)
d.v.
(1)
Diese Gleichung bringt mathematisch zum Ausdruck, daß die in den Raum abgestrahlte Energie, die
sich ergibt, wenn beide Primärstrahler k und Ar+ 1 gleichzeitig eingeschaltet werden, gleich ist der Summe
der nacheinander ausgestrahlten Energie, wenn jeweils nur der eine der Primärstrahler eingeschaltet ist, während
der andere ausgeschaltet ist.
Anders ausgedrückt und unter der Annahme einer verlustlosen Linse ergibt sich: Wenn die Energie /\. als
Eingangsgröße zum Primärstrahler k gelangt, wenn der Primärstrahler Ar+ 1 ausgeschaltet ist, so beträgt die im
ausgesendeten Strahl Ac enthaltene Energie /\. Wenn
alternativ der ΑΛε Primärstrahler ausgeschaltet ist. so
führt eine Eingangsenergie Pk ., mit dem Ac+ l'ten Primärstrahler
zu einer abgestrahlten Energie von Pk .,. Es
sei nun die Situation betrachtet, daß der Ac"te Primärstrahler
erregt wird, und zwar mit der Energie Pk, während
der Ac+ l'te Primärstrahler bereits vorher mit P1 _,
errigt war und daher die Energie P1., in den Raum
abgestrahlt hat. Wenn nunmehr die gesamte abgestrahlte Energie auf (Pk + Λ -1) zunimmt, dann gab es
für den Ac'ten Primärstrahler keine Möglichkeit, zu »wissen«,
ob der Ar+l'te Primärstrahler eingeschaltet war oder nicht. Wenn jedoch die gesamte abgestrahlte Energie
nicht um den Eingangsbetrag in den ΑΛεη Primärstrahler
erhöht wurde, so verbleibt als einzige Erklärung, daß Energie von dem ΑΛεη Primärstrahler reflektiert
worden ist. Diese reflektierte Energie kann als eine Energie interpretiert werden, die von dem k+ l'ten Eingang
angekoppelt wurde. In jedem Fall sieht unter diesen Umstanden der Ic1Ie Primärstrahler eine Fehlanpassung,
während mk abgeschaltetem Primärstrahler Ar+ 1 der AJte Eingang angepaßt war und keine reflektierte
Energie hervorgerufen hat.
Die Gleichung (1) kann für die Werte des Sirahlerabstands
»α« gelöst werden, was dann zu keiner gegenseitigen Kopplung führt. Dies läßt sich durch Erweiterung
des Integranden auf der rechten Seite der Gleichung (1) und durch Streichung gleicher Ausdrücke auf beiden
Seiten der Gleichung durchführen, was dann ergibt:
terer Form entsprechend der folgenden Gleichung (3) angeschrieben werden:
sine (.v! * sine U) = 0.
worin bedeuten
* bezeichnet die Faltung
(3)
sine (.v)
sin χ
χ
χ
Die mit sich selbst gefaltete sine (x)-Funktion führt jedoch zu einer weiteren sinc-Funktion. Dies läßt sich
erkennen, wenn man bedenkt, daß eine Faltung in dem v-Bereich zu einer Multiplikation in dem Fourier-Transformationsbereich
führt. Wenn somit die Transformation von sine (x) multipliziert wird mit der Transformation
von sine (x) und man dann die inverse Transformation dieses Produktes nimmt, ergibt sich das
gewünschte Erg8bnis. Die Transformation von sine (.v)
ist eine Rechtwinkelfunktion, und zwar:
sinc(x) < = > ζ rect (~>)
worin bedeutet (< = >) »Fourier-Transformation nach«.
Daher ergibt sich:
Daher ergibt sich:
sine (x) * sine (x) < = > [r rect (~y)]2.
Es ergibt sich aus der Definition der Fourier-Transformation:
sine (χ) * sine (x) = .τ2 jfrect (xy)f e'2 zaydy (4)
Eine Auswertung der Integraltransformation auf der rechten Seite der Gleichung (4) führt zu:
W„ W1
■.,μ
sin χ sin (x — a)
sine (x) * sine (x) = π sine (a)
(5)
dx = 0 (2)
(x-a) " ' "' Demzufolge sind die Werte von »a«, die bewirken.
daß sine (α) gleich Null wird, d. h. die Werte von »α«,
die zu einer minimalen wechselseitigen Kopplung zwi-
Das integral in Gleichung (2) stellt jedoch ein FaI- es sehen den Primärstrahiern führen gleich a - r. ,7, wobei
tungs-Integral dar. Die sin x/x-Funktion wird mit sich η eine ganze Zahl, ausgenommen Null ist. Durch Defiselbst
gefaltet, und zwar hinsichtlich der Variablen »o«. nition müssen die zwei sine (x)-Funktionen orthogonal
Die zuvor angegebene Gleichung kann in kompak- für die zuvor angegebenen Werte von »a« sein, da
deren integriertes Produkt Null ist. Die von den sine (.v)-Funktionen wiedergegebenen Strahlen müssen
in ähnlicher Weise orthogonal zueinander sein. Da ein sin .v/x-Strahl die ersten Nullstellen bei π und -n hat
und nachfolgende Nullstellen bei ganzzahligen Vielfachen davon, ist es klar, daß die Primärstrahler zum
Zwecke einer minimalen wechselseitigen Kopplung so getre.»v·' t sein müssen, daß der Scheitelwert des Strahls,
der sich aus der Erregung eines bestimmten Primärstrahlers ergibt, bei der ersten Nullstelle des Strahls liegen
muß, der aus der Erregung eines benachbarten Primärstrahlers resultiert. In Fig. 6 sind die orthogonalen
Strahlen A- und A:+1 im sin 0-Raum gezeigt. Die
Variable .v in Fig. 5 wird zu
-D
sin Θ
in Fig. 6, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
7wei weitere Tatsachen sind ,»us Fig. 6 zu ersehen,
und zwar die Breite eines Strahls zwischen seinen ersten Nullstellen, die gleich 2 /JD ist. während der Scheitel
eines Strahls, der von der Erregung des Primärstrahlers A- resultiert bei sin 0k auf der sin 0-Achse liegt,
und daß der Scheitel des Strahls, der von der Erregung des Primärstrahlers Ar+ 1 resultiert, bei sin 0t.. auf der
gleichen Achse liegt.
Wenn D die Linsenöffnung und / die Wellenlänge ist.
dann läßt sich anschreiben
— = sin 0;., - sin 0,
sin 1/2
so daß gilt:
— = Δ θ cos 0;.
oder anders ausgedrückt:
oder anders ausgedrückt:
ΛΘ =
D cos
(6)
Strahlform kann im wesentlichen konstant gehalten werden (im Sinuswinkelraum), und die Seitenkeulenwerte
können unter dem vorgeschriebenen Wert gehalten werden. Das Verfahren zur Berechnung dieser
Werte bzw. Bewertungen ist weiter unten gezeigt, und zwar mit der Forderung, daß der Strahl in Inkrementen
von einem Zehntel des Primärstrahlerabstands bewegt werden soll, obwohl es offensichtlich ist. daß Bewertungssätze
möglich sind, gemäß welchen der Strahl in irgendeinem anderen Inkrement bewegt wird. Eine weitere
Grundregel besteht darin, daß eine minimale Zahl von benachbarten Primäistrahlern gleichzeitig erregt
wird, wobei lediglich eine Einschränkung durch die Feinsteuerungsgenauigkeit und den maximal zugelassenen
Winkelseitenkeulenpegel vorhanden ist.
Unter Verwendung der zuvor erwähnten Grundregeln ist es zunächst erforderlich, die minimale Zahl der
orthogonal im Abstand angeordneten Primärstrahler zu bestimmen, die im Falle einer Erregung ein Antennenrichtdiagramm
mit maximalen Seitenkeulen unterhalb der spezifizierten Grenze erzeugen würden. Zwei
benachbarte Primärstrahler, die in gleicher Weise erregt werden, erzeugen im Raum einen Strahl mit einem
theoretischen ersten Seitenkeulenwert von -23 dB. Dieser Strahl ist die Überlagerung von zwei orthogonalen
sin .v Y-Strahlen. Die Gestalt dieses Antennenrichtdiagramms
(Gruppenfaktor) ist wie folgt gegeben:
F„ (χ) = j
sin I .ν - —
sin (.ν + y
-f) H),
Eine Vereinfachung der zuvor erwähnten Gleichung durch trigonometrische Maßnahmen führt zu:
F0(X) =
cos χ
worin Qi, den Wert wie in F i g. 4 hat. Durch Verwendung - =
der Gleichung (6) läßt sich der Abstand der Primärstrahler entlang des Brennpunktbogens 20 für eine
minimale wechselseitige Kopplung berechnen.
Aus dem bisherigen geht nunmehr hervor, daß ein gut geformter Strahl durch den Raum unter Verwendung
einer Rotman-Linsenantenne geschwenkt werden kann, wobei die Primärstrahler den geschilderten Abstand
haben und wobei jeder Primärstrahler der Reihe nach erregt wird und gleichzeitig die anderen entregt werden.
Wie jedoch bereits an früherer Stelle erwähnt wurde, führt dies zu einem Strahl, der in A 0-Schritten durch
den Raum wandert, also nicht entsprechend einem weich kommutierten Strahl. Durch Erregen von mehreren
benachbarten Primärstrahlern in Einklang mit einem geeigneten Satz von Bewertungen, die errechnet
werden können, ist es jedoch möglich, einen resultierenden zusammengesetzten Antennenstrahl zu erzeugen,
der einen geeigneten Seitenkeulenwert besitzt, der hier zu -23 dB angenommen wird. Wenn diese Bewertungen
dann geändert werden, und zwar in einer vor- °5 geschriebenen Folge, kann der Strahl in Winkelinkrementen
bewegt werden, die irgendeinen Bruchteil des Winkels zwischen den Primärstrahlem haben. Die
Der Ausdruck Tür F0[X) g'bt die Richtcharakteristik
der Antenne an, und zwar bei zwei gleicherweise erregten Primärstrahlern. Der Strahlhöchstwert wurde auf
eins normiert, und die Variable χ stellt die Sinuswinkelveränderliche
dar. Der Abstand zwischen den ersten Nullstellen der sin .x/x-Kurve ist auf zwei 2 π der Einfachheit
halber normiert. Die tatsächliche Winkeler^treckung zwischen den ersten Nullstellen von jedem
sin x/x ist gleich 2 /JD im Sinuswinkelraum, wie zuvor angegeben, und die Hälfte davon, nämlich /J D ist der
Abstand zwischen benachbarten sin x6r-Strahlen. Die 3-dB-Bandbreite der resultierenden Zwei-Strahler-Erregung
ist l,35mal größer als die des sin x/x- Strahls. und der Gewinn ist um 0,91 dB kleiner als der des
sin x/x-Strahls. Obwohl dies nicht die wirkungsvollste
Antennenbelegung darstellt, die für den 23-dB-Seitenkeulenpegel möglich ist, läßt sie sich einfach erzeugen
und stellt eine annehmbare Lösung dar. Diese Zwei-Strahler-Erregung erzeugt eine Cosinus-Belegung der
strahlenden Antennenöffnung. Das Abtast-Theorem wird nun dazu verwendet die Bewertungsfaktoren
aufzustellen, die für die Erzeugung einer geschwenkten Version dieser nämlichen Strahlenfonn erforderlich
sind. Fig. 7 dient dazu, das Abtastkonzept zu erläutern.
Das Abtast-Theorem gibt an. daß die /y,(.vi-Funktion
exakt durch die Summe- einer unendlichen Zahl von sin .ν .v-Funktionen reproduziert werden kann, die
einen Abstand π haben und entsprechend der FAx)-Funktion
bewertet sind. Diese sin .v .r-Funktionen können alle willkürlich unter der ursprünglichen FAx)-Funktion
verschoben werden, solange sie einen gleichen Abstand beibehalten. Eine gute Annäherung
der Fa χ !-Funktion kann dadurch erhalten werden, daß
man annimmt, daß alle Abtastwene Null sind, ausgenommen
diejenigen, die unter der Hauptkeule der F (.vi-Funktion gelegen sind. Dadurch wird die
Sirahlform nur geringfügig verändert. Fig. 7 zeigt, daß
maximal drei Abtastwerte W- . W- und W-, der
Hauptkeule, welche einen Abstand π besitzen, möglich
sind.
Der Wert der Abtastwene ist wie folgt:
Der Wert der Abtastwene ist wie folgt:
1 | v .- ) COs(Z + -1 |
|
H'. | 1 | f2 (Z +.-ir |
ι .- j cos (Z -2.-ι |
||
IV- | 1 | ί 2 (Z -2.-)1: |
H- \ worin bedeutet: |
ι .- j | |
(10)
Uli
Z = - ^- - ί -jj und ' = 0. 1. ... 9.
Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn / = 0 oder 9
ist. die Gleichungen 11Oi und 1111 unbestimmt werden.
Die Werte werden bestimmt, indem man die Werte der Gleichungen(9i.( 1Oiund (ll)füri ·0:<
= q erechnet und die Forderung nach einem weichkommutierenden
Strahl berücksichtigt.
Die Werte werden festgelegt als:
H = H" = ο
H". = H. = -JX W, = U.= -/4.
H". = H. = -JX W, = U.= -/4.
Allgemeiner gesagt, erlaubt das Abtast-Theorem die Berechnung von Wertigkeiten, damit der Antennen-
>irahl in irgendeiner Anzahl / von Schritten über den
Winkel _1 Θ von Fig. 4 bewegt werden kann. Zusätzlich
kann irgendeine praktizierbare maximale ungerade Zahl λ' von Primärstrahlern gleichzeitig erregt werden.
Entsprechend dem Abtast-fheorem lautet die allgemeine Gleichung für verschiedene Bewertungfaktoren
unter der Annahme, daß die Primärstrahler entlang dem Brennpunktbogen angeordnet sind, wie folgt:
COS[Z
+ (k-
li.-r]
(2 [Z.-MAr-I)-
worin bedeuten:
Kr
1.2.3.
ι = 0. 1. 2.
K und K ist die gesamte Zahl von gleichzeitig erregten Primärstrahlern.
A' ist irgendeine ungerade Zahl 3. 5. 7.9...
(/-1) und / ist die gesamte Zahl der diskreten
Schritte zwischen dem Abtastwinkel Θ. und O1-; in Fig. 4.
Der Index k gibt an. welcher der ^-Strahler erregt
wird, wenn man W^ berechnet. Der Index / gibt an. welches
Abtastinkrement betrachtet wird, wenn man H'
berechnet.
Fig. 8 zeigt eine Tabelle von Bewertungsfaktoren, die
durch Verwendung der Gleichungen (9). (10) und (11)
berechnet wurden. Es sei daraufhingewiesen, daß bei
dieser Ausfuhrungsform zehn Sätze \on Bewertungs
faktoren existieren, welche den zehn Schritten des Antennenstrahls entsprechen, damit dieser über den
Winkel J ö von Fig. 4 bewegt wird. Die Miiiei. durch
welche die Energie der Primärstrahler der Linse in Abhängigkeit von den berechneten Bewertungsfaktoren
verändert wird, sind in Fig. 9 gezeigt, auf die nunmehreingegangen
werden soll. Es wird in der folgenden Beschreibung angenommen, daß der Antennenstrahl
von einem Grenzwert seiner Bewegung zum anderen und wieder zurück geschwenkt wird. Im Laufe der
Beschreibung wird jedoch hervorgehen, daß sich irgendein Abtastprogramm realisieren läßt, und zwar
durch geeignete Modifikation des Gegenstandes der Erfindung. Fig. 9 zeigt einen Eingangsanschluß 48 für
ein Mikrowellensignal und einen Feinabtastmodulator 45 mit niedrigen Verlusten, der das Eingangssignal in
Abhängigkeit von den Bewertungsfaktoren der Tabelle von F i g. 8 an die Primärstrahler von F i g. 1 verteilt. Um
diese Funktion zu erreichen, besteht der bevorzugte Feinabtastmodulator einfach aus einem Mikrowellen-Leistungsteiler,
der nach bekannten Prinzipien aufgebaut ist und veränderbare Phasenschieber 58 bis 63
und 903-Gabelschaltungen 52. 54 und 56 enthält. Ein Typ eines Mikrowellen-Leistungsteilers, bei welchem
veränderbare Phasenschieber und 90°-Gab.lschaltungen zur Anwendung gelangen, ist in dem Artikel »A
Variable Ratio Microwave Power Divider and Multiplexer« von Teeter und Bushore beschrieben, der im Oktober
1957 in der Zeitschrift »I.R.E. Transactions an Microwave Theory and Techniques« erschienen ist. Wie
dies dem Fachmann bekannt ist. läßt sich durch Verändern der verschiedenen Phasenschieber erreichen,
daß die gesamte dem Eingangsanschluß 48 zugeführte Energie an irgendeinem der Ausgangsanschlüsse 54 a.
54 b. 56 α oder 56 b erscheint, wobei an den anderen Ausgangsanschlüssen
keine Energie erscheint, oder daß die Eingangsenergie entsprechend einem Bewertungsschema auf die verschiedenen Ausgangsanschlüsse verteilt
wird. Wie dies auf dem vorliegenden Gebiet allgemein üblich ist. soll der Ausdruck »keine Energie« an
einem Ausgangsanschluß bedeuten, daß die an diesem Ausgangsanschluß anstehende Energie unter einem
praktischen unteren Grenzwert liegt. Bei einem tatsächlich realisierten Ausführungsbeispte! «snjrg,.- diese
untere Grenze als -30 dB ermittelt.
Wie gezeigt, ist der Anschluß 48 über die Leitungen
48 α und 48 b mit den veränderlichen Phasenschiebern
58 und 59 verbunden. Die phasenverschobenen Signale aus diesen Phasenschiebern werden der 90°-Gabelschaltung
52 zugeführt, deren Ausgangsleitungen 52 a und 52 b jeweils mit verschiedenen Phasenschiebern 60.
61 und 62.63 verbunden sind. Die phasenverschobenen
Signale der Phasenschieber 60 und 61 werden an die 90°- Gabelschaltung 54 angelegt, deren Ausgangsleitungen
Anschlüsse B4, α und 54 b aufweisen. In ähnlicher Weise
werden die phasenverschobenen Signale der Phasenschieber 62 und 63 der 90°-Gabelschaltung 5( zugeführt,
deren Ausgangsleitungen Anschlüsse 56 a und 56 b aufweisen.
Bei dieser Ausführungsform werden die veränderlichen
Phasenschieber des Feinabtastmodulators 45 durch Decodierstufen 74,76 und 77 in Abhängigkeit von
der Zählung in einem Zähler 72 gesteuert, der Impulse von einer Taktquelle 70 empfängt. Die verschiedenen
Decoderstufen enthalten Lesespeicher (ROM's), die als wesentliches Merkmal so programmiert sind, daß sie die
Bewertungsinformationen der Fig. 8 in Form einer »Nachschlagw-Tabelle enthalten und durch die Zählung
adressierbar sind, die in dem Zähler 72 enthalten ist. Die verschiedenen Phasenschieber bestehen aus digital
gesteuerter. Phasenschiebern, deren Grad an Phasenverschiebung durch ein digitales Signal eingestellt wird,
welches von einem geeigneten Decoder empfangen "'ird. Insbesondere steuert der Decoder 74 die Phasenschieber
58 und 59, der Decoder 78 steuert die Phasenschieber 60 und 61, und der Decoder 76 steuert die Phasenschieber
62 und 63. Die Lesespeicher in Form der Nachschlage-Tabellen, die durch ein digitales Signal
adressiert wurden, und die digital gesteuerten Phasenschieber sind gut bekannt, so daß eine detaillierte
Beschreibung dieser Elemente und deren Verknüpfungen nicht erforderlich ist.
Die bewerteten Ausgangsgrößen des Feinabtastmodulators 45 werden einpoligen Vierstellungsschaltern
80,82,84 und 86 (SP4T) zugeführt. Insbesondere ist der
Anschluß 54 α mit dem Arm 80 a des SP4T-Schalters
80, der Anschluß 54 ft mit dem Arm 82 a des Schalters 82, der Anschluß 56 a mit dem Arm 84 a des Schalters
84 und der Anschluß 56 b mit dem Arm 86 a des Schalters 86 verbunden. Die Schalter verbinden die bewerteten
Leistungssignale des Feinabtastmodulators 45 mit den Primärstrahlern der Antenne der Fig. 1. Es ist
hier (in Fig. 9) angenommen, daß 16 Primärstrahler vorhanden sind, die aufeinanderfolgend numeriert sind
als # 1 bis # 16. Die Schaltstellungen, beispielsweise in Verbindung mit dem Schalter 80 die Positionen 80 b,
80 c, 80 rfund 80 e, sind jeweils mit jedem vierten Primärstrahler
verbunden, beim Schalter 80 also mit den Primärstrahlern 1,5,9 und 13, diejenigen des Schalters 82
mit den Primärstrahlern 2,6,10 und 14, diejenigen des
Schalters 84 mit den Primärstrahlern 3,7,11 und 15 und
diejenigen des Schalters 86 mit den Primärstrahlern 4,8, 12 und 16. Es sind Koaxialkabel dafür eingesetzt, um
jeweils die Schalter mit den verschiedenen Prirnäritrahlern
zu verbinden, und die Längen dieser Kabel sind in bevorzugter Weise so vorherbestimmt, daß die Signale
an den verschiedenen Primärstrahlern (siehe Fig. 1) zueinander als kohärent erscheinen, und zwar beobachtet
an der Schnittstelle der Längsachse 14 und der Kontur 22.
Gemäß Fig. 9 sind bei einer tatsächlichen Ausführunsform
der Erfindung die Schalter 80,82,84 und 86 als HaJbieiterschaiter ausgenihfl am dadurch eine
schnelle Betriebsweise zu realisieren. Um darüber hinaus eine wirtschaftliche Verwendung der verwendeten
Hardware zu ermöglichen und, obwohl die zehn Sätze der Bewertungsfaktoren der F i g. 8 dazu verwendet wurden,
um den Antetmeastralii iö zehn kleinen Schritten
über einen Winkel A β zu bewsgen, ve-r'de die Schaltungsanordnung
uit Fig. 9 dazu verwendet ut- c:r
Antennenstrahl über einen Winkel von 4mal Δ Θ in 40
kleinen Schritten zu bewegen, um dann damit die Bewegung des Antennenstrahls durch das interessierende
Feld 7u wiederholen. Mit anderen Worten werden die Phaserschieber der Fig. 9 durch die Decodierstufen so
programmiert, daß sie durch einen Zyklus vo:. 46 Schritten
wandern, wobei natürlich das ROM in jeder Decodierstufe die Information für jeden dieser Schritte enthält.
Zusätzlich sammelte der Zähler 72 vierzig Impulse ίο von der Taktquelle 70 (von einer binären Zählung 0 bis
39) und wiederholte dies dann.
In Fig. 10 ist eine Tabelle gezeigt, die veranschaulicht, aufweiche Weise die Eingangsenergie des Feinabtastmodulators
45 auf die Ausgangsabschlüsse desselben in dem 40-Schrittzyklus bei dem tatsächlich realisierten
Ausfuhrungsbeispiel verteilt wird. In dieser Figur sind die -dB-Werte der Energie an den verschiedenen
Ausgangsanschlüssen tabelliert. Diese dB-Werte entsprechen natürlich den Bewertungsfaktoren der
Fig. 8. Es sei daraufhingewiesen, daß die Tabelle der
Fig. 10 sich jeweils nach zehn Folgen wiederholt, jedoch um eine Stelle nach rechts versetzt. Die Tabelle
wiederholt exakt alle 40 Schritte. Bei der Folge 0 sind beispielsweise die Phasenschieber so eingestellt, daL
die Eingangsenergie am Eingangsanschluß 48 halbiert wird, wobei die Hälfte der Energie am Anschluß 54 a
und die Hälfte am Anschluß 54 b erscheint (es sei darauf hingewiesen, daß, wie oben erläutert wurde, ein
-30-dB-Energiepegel gleichbedeutend ist mit »keine Energie«. Auch ist »-0-dB« bei dieser Ausführungsform
gleich "Λ der Eingangsenergie) Die Folge 0 wird alle vierzig Zählschritte des Zählers 72 wiederholt. Die
Folgen 10, 20 und 30 ähneln der Folge 0 darin, daß die Eingangsenergie gleichmäßig auf zwei Ausgangsan-Schlüsse
aufgeteilt wird. Sie unterscheiden sich, wie zuvor erwähnt wurde, dahingehend, daß die Energiewerte um 1 Stelle nach rechts bewegt werden; bei der
Folge 10 wird die Energie auf die Anschlüsse 54 b und 54 α, bei der Folge 20 auf die Anschlüsse 56 α und 56 b
und bei der Folge 30 auf die Anschlüsse 54 α und 56 b
aufgeteilt.
Die Schalter der Fig. 9 werden durch einen Decoder
87 gesteuert, der in bevorzugter Weise aus einem weiteren ROM besteht, das einmal für alle zehn Zähl:;hritte
des Zählers 72 adressiert wird.
Die Betriebsweise der Schaltung von F i g. 9 zur Realisierung eines weich weitergeschalteten Antennenstrahls
ist unter Hinweis auf die Fig. 9 und 10 wie folgt: Ein konstantes Energiesignal wird dem Anschluß 48
so zugeführt. Bei Anfangsbedingungen, die als Folge 0 angenommen werden und wobei alle Schalterarme konzeptmäßig
nach links liegen, wird die Eingangsenergie gleichmäßig auf die Primärstrahler 1 und 2 aufgeteilt.
Bei den Folgen 0 bis 9 wird die Energie durch Veränderung der Phasenschieber entsprechend der Tabelle der
Fig. 10 verteilt, während die Schalter in einer konstanten
Stellung bleiben. Bei der Folge 10 interpretiert der Decoder 87 die Zählung in dem Zähler 72 so, daß der
Arm des Schalters 80 um einen Schritt nach rechts bewegt wird, um dadurch eine Verbindung zwischen
den Anschlüssen M α und 80 c vorzusehen, und um die
Energie zu den Primärstrahlern 2,3 und 4 während der Folgen 10 bis 19 entsprechend der Tabelle der Fig. 10
zu verteilen. (Es sei darauf !angewiesen. da3 in Eines
klang mit de*Tabslle vor. Fis_ 10 dem Primärstrahler 5
während der ^oigen iO bis i9 üeiue EAergie y.ugemhrt
wird,
Anschluß 34 a über den Schalter 80
C-izsi-.·: angV-1KuIossen wird.) Bei der Fo'gs 20 inter-
pretiert der Decoder 87 die Zählung in Ίειη Zähler 72
so, daß der Arm des Schalters 82 um einen Schritt nach
rechts bewegt wird, um eine Verbindung zwischen den Anschlüssen 82 α und 82 c zu bewirken und um die energie
zu den Primfirstrahlern 3,4 und 5 während der Folgen
20 bis 29 in Einklang mit der Tabelle der Fig. 10 zu
verteilen. Diese Operation wird fortgesetzt, bis der
Strahl durch das interessierende Feld bewegt wurde. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Schalteranne konzeptmäBig
in die rechte extreme Stellung geschaltet
Da es bei diesem Ausfuhrungsbeispiel wünschenswert ist, den resultierenden Antermenstrahl vorwärts und
rückwärts durch das interessierende Feld zu bewegen, ist es nach Durchführung einer Abtastung in einer Richtung
erforderlich, daß die Betriebsweise des Zählers 72 umgedreht wird. Zähler dieses Typs sind bekannt, und
deren Zahlrichtung läßt sich einfach durch Vorsehen eines weiteren Zählers steuern, der lediglich zyklisch
die Zahl der Impulse aus der Taktquelle 70 sammelt, die erforderlich sind, um den Antennenstrahl durch das
interessierende Feld zu bewegen und um zu diesem Zeitpunkt ein Signal zu erzeugen, um die Betriebsweise
des Zählers 72 umzukehren. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Zähler 90 für den erwähnten Zweck vor
gesehen, und er erzeugt ein Umkehrbefehlssignal, welches dem Zähler 72 jeweils nach 160 Impulsen aus der
Taktquelle 70 zugeführt wird. Während das Umkehrbefehlssigna! dem Zähler 72 zugeführt wird, geht der Zähler
um einen Zählschritt für jeden ihm aus der Taktquelle 70 zugeführt Impuls zurück.
Wie dies dem Fachmann bekannt ist, läßt sich der Feinabtastmodulator oder die Teilerstute der Fig. 9 mit
nur drei Phasenschiebern aufbauen, beispielsweise mit
ίο den Phasenschiebern 58, 60 und 62. Für das gezeigte
Ausführungsbeispiel bestehen die Phasenschieber, die bei dem tatsächlich realisierten Ausführungsbeispiel
verwendet wurden, aus 6-Bit-Phasenschiebern von 45°,
22,5°, 11,25°, 5,625°, 2,8125° und 1,40625° und werden
is derart gesteuert, daß die von einem Phasenschieber eingeführte
Phasenverschiebung entgegengesetzt gleich ist der Phasenverschiebung, die durch den zugeordneten
Phasenschieber eingeführt wurde. Beispielsweise führt der Phasenschieber 59 eine Phasenverschiebung von
+ α ein, während der Phasenschieber 58 eine Phasenverschiebung
von — α einfühlt. Wenn nur drei Phasenschieber
verwendet werden, wie dies zuvor vorgeschlagen wurde, so betragen natürlich die Phasenschiebe-Bits
90°, 45°, 22,5°, 11,25°, 5,625° und 2,8125°.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Radarantenne, insbesondere für Zeilenradaranwendung,
mit einer ParaMplattenlinse, die durch mehrere einzeln erregbare, entlang eines Brennpunktbogens
angeordnete Primärstrahler gespeist ist und an ihrem Ausgang mit einer Strahlergruppe
verbundene Sonden aufweist, mit einer Einrichtung zur gleichzeitigen Erregung mehrerer benachbarter
Primärstrahler, wobei eine Erregung des Arten Primärstrahlers zu einem Strahl mit einem Winkel Θ*
und eine Erregung des k + l'ten Primärstrahlers zu einem Strahl mit einem Winkel 8k+l führt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur gleichzeitigen Erregung mehrerer benachbarter
Primärstrahler zur Durchführung der Abtastbewegung des Strahls in /-Schritten zwischen 9k und
0k + χ derart ausgebildet ist, daß sie den gleichzeitig
erregten Primärstrahlem die Energie in einer Aufteilung gemäß dem Bewertungsfaktor Wu
zuführt, wobei
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