-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne mit dreidimensionaler Erfassung und
elektronischer Strahlschwenkung des Typs mit ausgedünnter, zufällig verteilter räumlicher
Gruppe.
-
Es sind mehrere Typen von Antennen bekannt, mit denen eine dreidimensionale Erfassung
(am häufigsten eine halbkugelförmige oder quasihalbkugelförmige Erfassung) erzielt
werden kann mittels einer Konfiguration von festen Elementen, die mit einer
elektronischen Strahlschwenkung kombiniert ist, d.h. mittels Antennen, in denen die Form
der Strahlungscharakteristik (insbesondere die Ausrichtung einer Hauptkeule) modifiziert
wird, indem auf die einzelnen, einstellbaren Phasenverschiebungen der die Gruppe
bildenden verschiedenen Elemente eingewirkt wird.
-
Die in der Praxis am meisten verwendete Konfiguration für die Verwirklichung einer
solchen Antenne besteht darin, daß die verschiedenen Elementarantennen der Gruppe auf
einer oder mehreren reflektierenden Flächen verteilt sind, beispielsweise auf der Fläche
eines Zylinders oder auf mehreren verschieden orientierten Feldern.
-
Diese Antennen des Typs mit sogenannter "Flächengruppe" sind jedoch nicht in jeder
Hinsicht zufriedenstellend. Denn:
-
- die Zylinderflächengruppe weist den Nachteil einer mäßigen Erfassung bei
verhältnismäßig großen Höhenwinkeln, d.h. bei Annäherung an die Zenitrichtung, auf;
-
- mit den Mehrfelderantennen kann dieser Nachteil beseitigt werden, indem die
verschiedenen Felder (im allgemeinen in der Anzahl vier) an den Seiten eines
Pyramidenstumpfs angeordnet werden, wodurch eine verhältnismäßig zufriedenstellende
halbkugelförmige Erfassung erhalten werden kann.
-
Diese Mehrfelderantennen sind jedoch verhältnismäßig teuer, weil jedes Feld und daher
jede Antenne der Gruppe nur in einem einzigen Quadranten (im Falle einer Antenne mit
vier Feldern) arbeitet.
-
Für eine gegebene Richtung der Hauptkeule wird nämlich nur eines der vier Felder
verwendet, während die Elementarantennen der drei anderen Felder in keiner Weise zur
Bildung des Strahls in dieser Richtung beitragen.
-
Somit ist es für die Schaffimg einer in Azimut-Richtung vollständigen Erfassung
erforderlich, die Anzahl der Antennen und der Phasenverschiebungsmodule zu
vervierfachen, was die Kosten der Gesamtheit entsprechend belastet.
-
Es ist ein anderer Typ von Antennen mit dreidimensionaler Erfassung und elektronischer
Strahlschwenkung bekannt, bei denen im Unterschied zu den Mehrfelder- oder Zylinder-
Flächenantennen sämtliche Elementarantennen der Gruppe unabhängig von der Richtung
der Hauptkeule an der Bildung des Strahls teilhaben und zum Gewinn der Antenne
beitragen.
-
Diese Antennen sind die sogenannten "stereometrischen" oder "räumlichen" Antennen, bei
denen im Unterschied zu den Flächenantennen die Elementarantennen nicht mehr in der
Fläche einer Ebene oder eines gegebenen Volumens, sondern im Inneren eines Volumens
(im allgemeinen einer Kugel) verteilt sind.
-
Die Elementarantennen sind in diesem Volumen so unregelmäßig wie möglich verteilt,
derart, daß die gegenseitige Kopplung zwischen den Elementarantennen minimiert und
daher die Strahlungskeulen der Gruppe maximal gedämpft werden; diese Bedingung wird
erhalten, wenn die Antennen in dem Volumen gemäß einem Zufallsverteilungsgesetz
statistisch isotrop verteilt werden und wenn andererseits zwischen den Elementarantennen
ein mittlerer Abstand vorgesehen wird, der erheblich größer als eine Halbwellenlänge ist.
-
Man spricht dann von einer "ausgedünnten, zufällig verteilten Gruppe". In solchen
Gruppen:
-
- erlaubt die Ausdünnung Einsparungen hinsichtlich der Anzahl der Strahlerelemente
bei einer gegebenen Abmessung der Gruppe, d.h. bei einer gegebenen Strahlöffnung. Sie
erlaubt außerdem die starke Verringerung der Kopplungen zwischen den Quellen, die
häufige Ursachen der Verschlechterung der Leistungseigenschalten der Gruppenantennen
sind; und
-
- erlaubt die Zufälligkeit die Beseitigung von Strahlungskeulen der Gruppe, die
regelmäßigen Strukturen mit großem gegenseitigem Abstand eigentümlich sind.
-
Eine solche Antenne ist insbesondere in der DE-A-28 22 845 beschrieben.
-
Genauer beschreibt dieses Dokument eine sogenannte crow's-nest-Antenne, d.h. eine
Antenne, die von einer Gruppe gebildet wird, in der die Elementarantennen offene Ringe
oder "Drehkreuz"-Antennen sind, die in Horizontalpolarisation strahlen und im obersten
Punkt von vertikalen koaxialen Versorgungsleitungen angeordnet sind.
-
Obwohl dieser Antennentyp eine theoretisch sehr interessante Lösung für Antennen mit
dreidimensionaler Erfassung und elektronischer Strahlschwenkung zu sein scheint, war er,
obwohl er vor mehr als 10 Jahren vorgeschlagen worden ist, bis heute nur Gegenstand von
Versuchsanordnungen ohne Nutzanwendung auf die verschiedenen Bereiche, in denen sich
ein solcher Antennentyp als besonders wünschenswert erweisen würde: Luftverteidigung,
Marine, Radar für Waffensysteme, Sekundärradare für die Luftfahrt usw.
-
Tatsächlich macht in erster Linie die Länge der koaxalen Leitungen, von denen die
längsten eine Länge besitzen, die wenigstens gleich dem doppelten Radius der Hüllkugel
ist, das System mechanisch anfällig und zwingt in dem Fall, in dem die vorgeschriebene
Positionierungsgenauigkeit der verschiedenen Ringe im Inneren der Kugel und eine
ausreichende Starrheit der Anordnung gewünscht sind, dazu, zusätzliche mechanische
Mittel wie etwa Nylonfäden vorzusehen, die die halbstarren Versorgungskabel in ihrer
Position halten, und/oder dazu, die gesamte Gruppe in eine Schaummasse (beispielsweise
Polyurethanschaum) einzubetten.
-
Abgesehen von den Schwierigkeiten bei der mechanischen Ausführung spielt in diesem
letzteren Fall das Vorhandensein des Schaumstoffs die Rolle eines Wärmeisolators, der die
Wärmeabfuhr verhindert, wenn die Antenne als Sendeantenne verwendet wird, was diese
Lösung auf Empfangsantennen oder auf Sendeantennen mit geringer Leistung einschränkt,
da das Problem der Wärmeabfuhr nicht gelöst ist.
-
Ein zweiter Nachteil, der ebenfalls mit der großen Länge der Versorgungsleitungen in
Zusammenhang steht, ist die von diesen eingeführte eigene Phasenverschiebung, die
beträchtlich verschieden sein kann, je nachdem, ob es sich um eine kurze Leitung oder um
eine lange Leitung handelt, und die kompensiert werden muß, um das Auftreten von von
der Ausrichtung unabhängigen Phasenfehlern zu verhindern.
-
Diese Nachteile, sowohl die mechanischen wie auch die elektrischen, die mit der großen
Länge der Versorgungsleitungen in Zusammenhang stehen, sind um so störender, je
größer die Abmessungen der Kugel gegenüber der Wellenlänge sind. Da die Feinheit des
Strahls (Öffnungswinkel der Hauptkeule) direkt mit den Abmessungen (ausgedrückt in
Wellenlängen) der Kugel in Beziehung steht, führt dies im Hinblick auf die Feinheit des
Strahls zu einer Begrenzung der Leistungen des Systems.
-
Drittens ist eine solche Gruppe aufgrund der Verwendung von Ringen oder
Drehkreuzantennen hinsichtlich der Radar-Signatur sehr "sichtbar"; die Verwendung
derartiger Typen von Elementarantennen ist indessen unvermeidlich, weil eine Gruppe
aufgrund ihrer Natur Antennen benötigt, die sowohl hinsichtlich ihrer Amplitude wie auch
hinsichtlich ihrer Phase eine im Azimut quasiungerichtete Charakteristik besitzen.
-
Viertens ist dieser bekannte Antennentyp aufgrund seiner Struktur auf einen Betrieb mit im
wesentlichen horizontaler Polarisation eingeschränkt.
-
Nun benötigen aber zahkeiche Anwendungen unbedingt eine vertikale Polarisation,
beispielsweise die Bord-Radarantennen auf Schiffen (die vertikale Polarisation beseitigt
nämlich die Reflexionswirkungen auf dem Meer) oder ferner Antennen für
Sekundärradare, insbesondere die IFF-Radare (Identification Friend or Foe:
Freund/Feind-Identifikation).
-
Diese verschiedenen Gründe erklären, warum trotz seiner offensichtlichen theoretischen
Vorteile und des Bedarfs der Schaffung einer Antenne mit dreidimensionaler Erfassung
und elektronischer Strahlschwenkung in zahfreichen Anwendungsgebieten dieser bekannte
Antennentyp bis heute das Versuchsstadium nicht verlassen hat.
-
Die vorliegende Erfmdung hat eine Antenne vom stereometrischen Typ (d.h. vom Typ
"räumliche Gruppe mit ausgedünnter, zufälliger Verteilung", wie weiter oben erläutert
worden ist) zum Gegenstand, die sämtliche der obenerwähnten Nachteile beseitigt, wobei
ein einfacher, robuster Aufbau beibehalten wird, der daher weniger teuer herzustellen ist.
-
Diese Antenne wird auf an sich bekannte Weise von einer festen Gruppe gebildet, die
mehrere Elementarantennen mit individueller quasiungerichteter Strahlung enthält, die
gemäß einem Zufallsverteilungsgesetz statistisch isotrop im Inneren eines
rotationssymmetrischen Hüllvolumens verteilt sind, wobei der mittlere Abstand zwischen
Elementarantennen erheblich größer als eine Halbwellenlänge der minimalen zu
empfangenden oder zu sendenden Frequenz ist, wobei jede Elementarantenne mit einzeln
steuerbaren Phasenverschiebungsmitteln verbunden ist, die ihrerseits mit gemeinsamen
Verteilermitteln verbunden sind.
-
In für die Erfindung kennzeichnender Weise sind die Elementarantennen von vertikal
orientierten Dipolen gebildet, und die Antenne enthält einen gemeinsamen vertikalen Mast,
der zur Achse des rotationssymmetrischen Hüllvolumens koaxial ist und sich über die
esssnte Länge des rotationssymmetrischen Hüllvolumens erstreckt, und die
Versorgungsleitungen weisen einen ersten Abschnitt, der hozizontal zwischen dem
entsprechenden Dipol und dem zum rotationssymmetrischen Hüllvolumen koaxialen,
gemeinsamen vertikalen Mast verläuft, sowie einen zweiten Abschnitt auf, der im Inneren
des Masts verläuft.
-
Das rotationssymmetrische Hüllvolumen kann insbesondere eine Kugel sein.
-
Sehr vorteilhaft bilden die ersten Abschnitte der Versorgungsleitungen selbsttragende
Mittel für die mechanische Unterstützung der Dipole am gemeinsamen vertikalen Mast.
-
Gegenüber einer crow's-nest-Antenne wird somit die Länge der Abschnitte der
Versorgungsleitungen, die die Selbsttragenden Mittel bilden, stark verringert: Die
maximale Lage derselben ist höchstens gleich dem Radius der Kugel (genauer ist sie
gleich dem Radius der Kugel abzüglich dem Radius des mittigen Zylinders), während in
der weiter oben beschriebenen crow's-nest-Struktur des Standes der Technik diese Länge
wenigstens gleich dem doppelten Radius der Kugel war.
-
Angesichts der verringerten Länge ist es nicht mehr notwendig, die Gruppe in einen
Schaumstoft einzubetten oder Hilfsunterstützungsmittel vorzusehen.
-
Vom Standpunkt der Funktechnik stört der mittige Mast aufgrund Seiner axialen Position
die Strahlungscharateristik nur in geringem Maß und ist in jedem Fall auf die Azimut-
Isotropie des Strahls ohne Einfluß; mit anderen Worten ist die durch den mittigen Zylinder
eingeführte Ungleichmäßigkeit im wesentlichen eine Höhewinkel-Ungleichmäßigkeit, wo
eine Verschlechterung der Leistungen der Gruppe in der Nähe des Zenit-Bereichs sehr
wohl akzeptiert wird.
-
Außerdem kann in dem Fall eines Radars für die Marine das mittige Rohr vorteilhaft
durch einen Schiffsmast oder durch ein analoges Element der Deckaufbauten gebildet sein,
wodurch die Suche eines geeigneten Ortes für die Antenne sehr erleichtert wird und wobei
der Mast vom Standpunkt der Funkechnik neutral bleibt, was insbesondere für Schiffe ein
großer Vorteil ist, wo die Elemente der Deckaufbauten in der Nähe der Antenne stets zu
großen Störungen des Strahlungsdiagramms beitragen.
-
Andererseits erlaubt die Struktur der Antenne leicht die Anordung von aktiven Modulen in
der Versorgungsleitung im Inneren des veralen Masts und daher in der Nähe der
Elementarantennen, wodurch ihre Leistungsfähigkeit entsprechend erhöht wird.
-
Schließlich kann die Gruppe aufgrund der Verwendung von einfachen Dipolen als
Elementarantennen hinsichtlich der Radar-Signatur praktisch unsichtbar gemacht werden,
indem für die Verwirklichung der Dipole sehr feine Drähte gewählt werden, die somit (im
Unterschied zu den Ringen oder Drehkreuzen des Standes der Technik) eine äußerst
geringe äquivalente reflektierende Fläche besitzen.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden genauen
Beschreibung deutlich, die mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, von
denen:
-
- die Fig. 1 auf schematische Weise eine Ausführungsform der Antenne gemäß den
Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt,
-
- die Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführungsform von Fig. 1 ist, in der die aktiven
Module im mittigen Mast in der Nähe ihrer jeweils zugehörigen Elementarantennen
angeordnet sind,
-
- die Fig. 3 und 4 Diagramme sind, die den Gewinn in Abhängigkeit vom
Höhenwinkel der erfindungsgemäßen Gruppe angeben.
-
In den Fig. 1 und 2 ist schematisch die Gruppe gemäß der Erfindung gezeigt.
-
Es wird darauf hingewiesen, daß um der Klarheit der Zeichnung willen die jeweiligen
Verhältnisse zwischen den Längen der verschiedenen Elementarantennen (eine
Halbwellenlänge), ihren relativen Abständen (in der Größenordnung von mehreren
Wellenlängen), dem Durchmesser des Hüllvolumens (in der Größenordnung von mehreren
Wellenlängen oder mehreren 10 Wellenlängen) und dem Durchmesser des mittigen Masts
(in der Größenordnung einer Wellenlänge oder eines Bruchteils der Wellenlänge) nicht
eingehalten worden sind.
-
Außerdem können, wie weiter unten deutlich wird, die verschiedenen Abmessungen, die
angegeben werden, in großem Ausmaß in Abhängigkeit von den gewünschten Leistungen
der Gruppe (Gewinn, Feinheit des Strahls usw.) variieren.
-
Die Struktur umfaßt im wesentlichen eine Gruppe 1, die aus mehreren Elementarantennen
gebildet ist, die aus einfachen vertikalen Dipolen 3 gebildet sind, die auf zufällige Weise
im Inneren eines Hüllvolumens 2 in Übereinstimmung mit den Prinzipien ausgedünnter,
zufällig verteilter Gruppen, die weiter oben erläutert worden sind, verteilt sind.
-
Die Dipole 3 sind jeweils über eine eigene Versorgungsleitung 4, 5 mit einem aktiven
Modul 6 verbunden.
-
(Unter "aktivem Modul" wird ein elektronischer Modul verstanden, der wenigstens eine
einzeln steuerbare Phasenverschiebungsschaltung enthält, jedoch entsprechend den von der
Antenne übernommenen Funktionen und den Typen von Signalen, die sie aussenden oder
empfangen kann, außerdem Verstärkungs- und Filterungsschaltungen, Sendemittel,
Empfangsmittel usw. enthalten kann.)
-
Die verschiedenen aktiven Module 6 sind sämtlich an einen Antennenverteiler 7
angeschlossen, der seinerseits mit Sende- und/oder Empfangsschaltungen 8 verbunden ist.
-
Die Versorgungsleitungen eines jeden Dipols werden von zwei Abschnitten 4 und 5
gebildet.
-
Der erste Abschnitt 4 ist im wesentlichen horizontal, um unter Berücksichtigung der von
der Antenne geschaffenen vertikalen Polarisation (im funktechnischen Sinn) durchlässig zu
sein.
-
Andererseits ist dieser erste Abschnitt 4 im mechanischen Sinn eine im wesentlichen starre
Struktur, um neben seiner Aufgabe der Versorgung des Dipols 3 die Aufgabe der
mechanischen Unterstützung dieses Dipols an einem mittigen Mast 9 zu erfüllen.
-
Der zweite Abschnitt 5 der Versorgungsleitung verläuft im Inneren des Masts 9.
-
Der Mast 9 ist aus einem Material verwirklicht, der eine funktechnische Abschirmung
bildet, damit die Abschnitte 5, die im allgemeinen vertikal sind, das Strahlungsdiagramm
der Antennen, deren Polarisationsrichtung ebenfalls vertikal ist, nicht stören.
-
In der Ausfruungsform von Fig. 1 sind die aktiven Module am Ende des Abschnittes 5 der
Versorgungsleitung in der Nähe des Verteilers 7 (der sich im allgemeinen am Fuß der
Antenne oder am Fuß des Masts befindet) angeordnet.
-
Dagegen sind in der Ausführungsform von Fig. 2 die aktiven Module im Inneren des
Masts 9 am Ende des horizontalen Abschnittes 4 angeordnet.
-
Obwohl diese zweite Konfiguration eine Vergößerung des Durchmessers des Masts 9
notwendig macht, um die aktiven Module der verschiedenen Elementarantennen
aufzunehmen, weist sie den Vorteil auf, daß der Abstand zwischen jeder Elementarantenne
und ihrem zugehörigen aktiven Modul auf ein Minimum verringert wird, so daß eine
deutliche Verbesserung der Leistungen der Antenne sowohl im Hinblick auf das
Signal/Rauschverhältnis wie auch auf die Störungen, die durch die den Versorgungsleitungen
eigentürllichen Phasenverschiebungen eingeführt werden, möglich ist.
-
In einer nicht gezeigten Variante können die aktiven Module außerdem Sende- und
Empfangsmittel enthalten. In diesem Fall sind sie beispielsweise auf die gleiche Weise wie
die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Phasenverschiebungsmittel 6 positioniert, wobei dann
die Verteilermittel in der Figur nicht mehr vorhanden wären.
-
Der vertikale Mast 9 kann (insbesondere in der Ausführungsform von Fig. 1) einen sehr
kleinen Durchmesser (weniger als eine Wellenlänge) besitzen und kann folglich zu dem
quasihalbkugelförmigen Strahlungsdiagramm einer jeden Elementarantenne nur eine kleine
Störung beitragen.
-
Die Gesamtheit der Elemente der Gruppe kann in einem freien Raum oder aber im Inneren
einer Schutz-Radarkuppel angeordnet sein oder aber in ein geeignetes Mittel wie etwa
einen Polyurethan-Schaum eingebettet sein (obwohl diese Lösung, wie weiter oben
angegeben, im Hinblick auf die Wärmeabführung bei Verwendung der Gruppe im
Sendemodus nicht zufriedenstellend ist).
-
Das Hüllvolumen 1 ist in seiner einfachsten Form eine Kugel.
-
Diese Form ist jedoch nicht beechränkend, vielmehr können für das Hüllvolumen andere
Formen, d.h. mit einem Höhen-/Hauptdurchmesser-Verhältnis, das verschieden von 1 ist,
in Betracht gezogen werden, solange diese Formen rotationssymmetrische Formen sind.
-
Diese Wahl hängt faktisch von der gewünschten Feinheit des Strahls in Abhängigkeit vom
Höhenwinkel ab: Ein sphärisches Volumen entspricht einem Strahl, der unabhängig vom
Höhenwinkel im wesentlichen gleichmäßig ist, während für eine abgeflachte Form, die
angenähert diejenige einer Scheibe ist, die Gewinnung der Feinheit des Strahls im
wesentlichen für große Höhenwinkel erlaubt.
-
Mit anderen Worten, es ist der vom Ziel aus betrachtete sichtbare Umriß des
Hüllvolumens, der die Feinheit des Strahls bestimmt.
-
Was die Anzahl der Dipole in der Gruppe, den relativen mittleren Abstand zwischen ihnen
und den Durchmesser des Hüllvolumens betrifft, können diese Parameter in großem
Umfang in Abhängigkeit von den gewünschten Leistungen variieren.
-
Im wesentlichen:
-
- bestimmt die Anzahl der Elementarantennen den Antennengewinn in der gewählten
Richtung: Je größer die Anzahl der Elementarantennen ist, um so höher ist dieser Gewinn;
-
- bestimmt der Durchmesser der Kugel die Feinheit des Strahls: Je größer die Kugel
ist, desto feiner ist der Strahl in der bestimmten Richtung; typischerweise muß für einen
feinen Strahl mit einer Öffnung in der Größenordnung von 1º bei -3 dB eine Kugel
vorgesehen werden, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 70 Wellenlängen
besitzt.
-
Die Fig. 3 und 4 erläutern die Leistungen, die mit einer gemäß den Lehren der Erfindung
verwirklichten Gruppe erhalten werden, die 377 Quellen enthält, die mit einer mittleren
Maschengröße von drei Wellenlängen und einem mittleren zufälligen Abstand von ±1,5
Wellenlängen verteilt sind.
-
In den beiden Diagrammen ist der Gewinn G in Abhängigkeit vom Höhenwinkel
aufgetragen, wobei der Azimutwinkel in beiden Figuren bei 60º liegt.
-
Die Fig. 3 entspricht einer Strahlausrichtung auf einen Höhenwinkel von 0º, während die
Fig. 4 einer Ausrichtung auf einen Höhenwinkel von 60º entspricht.
-
Bei -3 dB wird eine Strahlbreite 1 von 2,52º im ersten Fall und von 2,56º im zweiten Fall
erhalten. In diesem zweiten Fall werden die ausgezeichneten Eigenschaften der
Strahlfeinheit hervorgehoben, obwoM gleichzeitig ein großer Höhenwinkel (60º) und ein
großer Azimutwinkel (ebenfalls 60º) vorliegen. Es ist außerdem die Abwesenheit einer
Veränderung des maximalen Gewinns (Punkt A) in den beiden Fällen zu bemerken, was
eine ausgezeichnete Höhenwinkel-Isotropie erkennen läßt.
-
Die Antenne gemäß der Erfindung eignet sich für zahlreiche Anwendungen, von denen
erwahnt werden können:
-
- die Bordradare auf Schiffen, wo typischerweise gleichzeitig eine halbkugelförmige
Erfassung und eine vertikale Polarisation benötigt werden, um die Reflexionswirkungen
auf dem Meer zu beseitigen,
-
- die IFF-Radare und die Zielverfolgungsradare für Waffensysteme, für die sich eine
kontinuierliche Strahlschwenkung schlecht eignet. Wenn nämlich die Bedrohungen einmal
geortet sind, ist es erforderlich, daß die Informationen in mehreren wohlbestimmten
Richtungen nacheinander ausgetauscht werden können, wobei diese Richtungen sich über
den gesamten Horizont erstrecken und große Höhenwinkeln besitzen können und wobei es
erwünscht ist, wahlweise zugreifen zu können, ohne den gesamten Horizont abtasten zu
müssen, wie dies bei Radaren mit kontinuierlicher Strahlschwenkung gegenwärtig der Fall
ist.