[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung für ein Radarrundsuchverfahren
zur Zielortung mit Eöhenerfassung, bei dem zum Pegelvergleich mehrere übereinander
liegende, sich überlappende Strahlungskeulen mittels eines um eine Vertikalachse zusammen
mit einer im wesentlichen vertikal angeordneten Primärstrahlerreihe rotierenden Reflektors
erzeugt werden.
[0002] Gewöhnliche Rundsuchradarantennen liefern nur die azimutale Lage des Ziels, nicht
jedoch dessen Elevationswinkel. Bei zunehmender Flugdichte und für eine genauere Einweisung
von Zielfolgeanlagen ist jedoch die zusätzliche Information über die Flughöhe des
Zieles bzw. über den Elevationswinkel dieses Ziel von immer größer werdender Bedeutung.
[0003] Rundsuchantennen werden meist als Reflektorantennen mit einem doppelt gekrümmten
Reflektor aufgebaut. Die Erweiterung eines solchen Antennentyps zur Höhenfindung durch
zusätzliche Primärstrahler, ist wegen der vertikalen Reflektorkrümmung, was bei der
notwendigen Auslenkung zu große Phasenfehler ergibt, praktisch nicht. möglich.
[0004] Es ist bekannt, zur Zielortung nach Azimut- und Elevationswinkel zwei getrennte Radaranlagen
zu verwenden, wobei ein Rundsuchradar der Feststellung des Azimutwinkels und ein davon
eingewiesenes Höhensuchradar mit vertikal schwenkbarem Strahl der Erfassung des Elevationswinkels
dient. Es treten dabei jedoch zeitliche Verzögerungen und Schwierigkeiten beim Aufbau
der doppelten Antennenanordnung auf, insbesondere bei der Auslegung der Schwenklagerung
der Höhenerfassungsantenne.
[0005] Beim sogenannten 3-D-Radar ist lediglich eine einzige gemeinsame Antennenanordnung
zur Erfassung von Azimut und Elevation eines Ziels vorhanden, wobei für die horizontale
Erfassung praktisch nur eine mechanische Strahlschwenkung in Betracht kommt und für
die vertikale Ebene der mechanischen Strahlschwenkung wegen der dabei erforderlichen
Schwenkbewegungen einer großen Antenne mit daraus resultierenden Massenbeschleunigungen
die elektronisch phasengesteuerte Strahlschwenkung vorgezogen wird. Neben dem hohen
Aufwand der Phasensteuerung besteht der Nachteil derartiger Anordnungen darin, daß
die Abtastung wegen der zusätzlichen horizontalen Suchbewegung relativ rasch erfolgen
muß und somit die für ein sicheres Ermitteln der Zielposition notwendige Verweilzeit
auf dem Ziel nicht erreicht.
[0006] Es sind zwar jedoch auch Rundsuchradarantennen möglich, bei denen sowohl die horizontale
als auch die vertikale Strahlbewegung durch eine phasengesteuerte Einzelstrahlergruppe
erfolgt. Dies stellt jedoch einen extrem hohen Aufwand dar, der für sehr viele Aufgabehstellungen
nicht angemessen ist.
[0007] Eine bessere Möglichkeit der gleichzeitigen Erfassung von Azimut, Entfernung und
Elevation eines Ziels ergibt sich durch Verwendung mehrerer übereinanderliegender,
im Vertikaldiagramm sich überlappender Empfangskeulen, wobei die Erhebungswinkel der
Keulenschnittpunkte bekannt sind und der Winkelabstand von einem dieser Schnittpunkte
durch Pegelvergleich der beiden betreffenden Keulenechos bestimmt werden kann. Es
ist bekannt, bei diesem Verfahren im Empfangs- und Sendefall die gleiche Antenne mit
einem einzigen Parabolreflektor sowie mehreren, diesen aus unterschiedlichen Winkellagen
ganz oder telweise ausleuchtenden Primärstrahlern zu verwenden, so daß verschieden
geneigte und unterschiedlich breite Keulen erzeugt werden. Es wird hierbei meist ein
Ausschnitt aus einem Rotationsparaboloid als Reflektor verwendet und eine vertikale
Primärstrahlerreihe (stacked beam) um den Brennpunkt des Reflektors angeordnet, so
daß die gewünschten übereinanderliegenden, sich etwas überlappenden Strahlungskeulen
entstehen. Bei stärker ausgelenkten Strahlen, deren Erreger weiter vom Brennpunkt
des Reflektors ent- fernt sind, geht jedoch der Gewinn zurück und/Nebenzipfel steigen
an, was den verfügbaren Erhebungswinkelbereich begrenzt. Da die Einzelkeulen meistens
im Empfangsfall verwendet werden, muB die Sendeantenne, wenn sie nicht durch eine
zusätzliche Reflektorantenne realisiert ist, durch Zusammenschalten der einzelnen
Primärstrahler im Sendefall bei getrennter Empfangsauswertung verwirklicht werden.
Eine solche Zusammenschaltung von Primärstrahlern führt jedoch zu einer aufwendigen
Schaltmatrix und zu Aufzipfelungen des Sendeantennendiagramms.
[0008] Derartige Rundsuchradarantennen sind in der DE-PS 20 16 391 beschrieben.
[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenanordnung für ein Radarrundsuchverfahren
zur Zielortung mit Höhenerfas-
sung zu schaffen, die ohne den bei phasengesteuerten Antennen erforderlichen technischen
Aufwand auskommt und dennoch über einen verhältnimäßig großen Erhebungswinkel- bereich
hinsichtlich ihres Gewinns und ihres Nebenzipfelverhaltens zufriedenstellend arbeitet.
Gemäß der Erfindung', die sich auf eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art
bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Reflektor als ein nur in der horizontalen
Ebene eine Strahlfokussferung erzeugenden Zylinderparabolreflektor ausgebildet ist,
entlang dessen Brennlinie die Primärstrahlerreihe angeordnet ist, daß die in ihrer
horizontalen Ausdehnung verhältnismäßig schmal ausgebildeten, einzelnen Strahler der
Primärstrahlerreihe in der wertikalen Ebene so geneigt sind, daß jeweils die gewünschte
Hauptstrahlrichtung der von ihnen erzeugten, übereinander liegenden Einzelkeulen im
Vertikaldiagramm entsteht, und daß die einzelnen Strahler der Primärstrahlerreihe
in ihrer vertikalen Ausdehnung so bemessen sind, daß eine gewünschte Bündelung der
übereinanderliegenden Einzelkeulen entsteht.
[0010] Die Antennenanordnung nach der Erfindung hat somit noch den Vorteil, daß sich ein
Zylinderparabolreflektor verhältnismäßig einfach herstellen läßt.
[0011] Die Zahl der einzelnen Strahler in der Primärstrahlerreihe richtet sich nach der
Genauigkeit der gewünschten Elevationswinkelfindung und des zu überdeckenden Erhebungswinkelbereichs.
[0012] Die einzelnen Strahler der Primärstrahlerreihe lassen sich in vorteilhafter Weise
als Flachparabolantennen (Cheese-Box-Antennen,Pillbox-Antennen) ausführen, welche
aus parallel zueinander verlaufenden Metallplatten bestehen, .die durch einen Zylinderparabolstrifen
abgeschlossen und die durch einen kleinen Hornstrahler in der Brennlinie des Parabolstreifens
gespeist werden. Die Flachparabolantennen können symmetrisch oder asymmetrisch (Offsetspeisung)
aufgebaut sein..Alternativ können auch flache Hornstrahler mit oder ohne linsen davor
verwendet werden. Eine Verbesserung der azimutalen Fokussierung läßt sich erzielen,
wenn die relativ zur Brennlinie des Zylinderparabolreflektors mehr oder weniger geneigten
Flachparabolantennen an der Seite ihrer Öffnung so verlängert werden, daß die Aperturebenen
die Brennlinie des Zylinderparabolreflektors enthalten. Dies ist allerdings nur für
die zumeist verwendete horizontale Polarisation möglich. Für andere Polarisationen
würden Phasenfehler auftreten. Die Anordnung der Primärstrahlerreihe vor dem Zylinderparabolreflektor
kann entweder symmetrisch oder asymmetrisch (off-set) vor dem Zylinderparabolreflektor
erfolgen. Der Vorteil der asymmetrischen Anordnung liegt darin, daß die Primärstrahlerreihe
außerhalb des Strahlengangs nach der Reflexion liegt und damit keine Aperturabdeckung
verursacht.
[0013] Die Ausgänge der einzelnen Strahler der Primärstrahlerreihe werden entweder gleichzeitig
jeweils einem Empfänger oder zeitlich nacheinander mit insgesamt einem Empfänger verbunden
oder es werden zeitlich nacheinander jeweils zwei benachbarte Strahler an zwei Empfänger
angeschlossen.
[0014] Durch die Überlappung der Hauptkeulen benachbarter Strahler zeigt bei einer Einfachstauswertung
der Strahler mit dem größten Empfangssignalpegel grob den Elevationswinkelbereich
des Ziels an. Bei einer Monopulsauswertung, d.h. einem quantitativen Pegelvergleich
der Empfangssignale benachbarter Strahler,kann eine Genauigkeit von 1/5 bis 1/10 der
Einzelkeulenhalbwertsbreite erzielt werden.
[0015] Die Sendeleistung wird in zweckmäßiger Weise von einem zusätzlichen Strahler; der
den Zylinderparabolreflektor ebenfalls mitbenutzt, abgestrahlt. Dies kann durch ein
Kosekans
2 -Diagramm geschehen, wie dies für eine konstante Erfassungshöhe üblich ist. Wenn im
Empfangsfäll nur die vorher beschriebenen einzelnen Strahler benutzt werden, kann
das vertikale Sendeantennendiagramm einen stärkeren Energieabfall aufweisen als nach
dem Kosekans-Ge-
setz. Die Sendeantenne kann unabhängig von den übrigen Empfangsstrahlern ebenfalls
zum Empfang eingesetzt werden: Durch die breite Kosekans
2-Keule ist dann während des Abtastvorgangs der Einzelkeulenstrahler eine andauernde
Zielverbindung gegeben. Die zusätzliche Verwendung der Sendeantenne als Empfangsstrahler
ist aber dann nicht mehr sinnvoll, wenn jeder der eigentlichen Empfangsstrahler mit
einem eigenen Empfänger verbunden ist.
[0016] Die Zuleitung zu den einzelnen Empfängern ist problemlos, wenn die Hochfrequenzteile
derselben mit der Antennenanordnung mitdrehen. Wenn dies nicht der Fall ist,: so wird
in zweckmäßiger Weise eine Mehrfachdrehkupplung verwendet, deren Kanalzahl sich nach
der Zahl der einzelnen Empfänger richtet. Die Reduzierung der Zahl der einzelnen Strahler
auf die Empfängerzahl folgt durch eine Schaltereinrichtung, die in zweckmäßiger Weise
über der Drehkupplung angeordnet ist.
[0017] Die Erfindung wird im folgenden anhand von 7 Figuren beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine seitliche Darstellung des Antennenprinzips nach der Erfindung mit zugehörigen
Strahlrichtungen,
Fig. 2 einen Teil der Antenne nach Fig. 1, jedoch mit ausgerichteten Aperturen der
einzelnen Strahler in der Primärstrahlerreihe,
Fig. 3 und-4 die Lage der Primärstrahlerreihe bezüglich des Reflektors bei einem symmetrischen
Antennenaufbau in einer perspektivischen.Ansicht bzw. in einer Ansicht von oben,
Fig. 5 und 6 die Lage der Primärstrahlerreihe bezüglich des.Reflektors bei asymmetrischem
Antennenaufbau in einer perspektivischen Ansicht bzw. in einer-Ansicht von oben, und
Fig. 7 in einem Diagramm die Empfangspegel von fünf einzelnen Strahlern der Primärstrahlerreihe
sowie das Kosekans2-Diagramm eines zusätzlichen Primärstrahlers für Senden und Empfangen in Abhängig-
.keit vom jeweiligen Elevationswinkel.
[0018] Die in Fig. 1 schematisch in einer seitlichen Darstellung gezeigte Antennenanordnung
nach der Erfindung besteht aus einem Zylinderparabolreflektor 1, welcher nur in der
horizontalen Ebene eine Strahlfokussierung erzeugt. Entlang der Brennlinie des Zylinderparabolreflektors
1 sind hinsichtlich ihrer Horizontalausdehnung schmale Einzelstrahler 2 bis 6 angeordnet,
deren vertikale Ausdehnung so groß ist, daß eine gewünschte Bün- - delung der übereinander
liegenden Einzelkeulen entsteht. Die von den als Empfangsstrahler wirkenden Einzelstrahlern
2 bis 6 erzeugten Hauptstrahlungsrichtungen sind mit 7 bis 11 bezeichnet. Die Strahler
2 bis 6 sind als Flachparabolantennen ausgeführt und bestehen aus parallel zueinander
verlaufenden Metallplatten, die mit einem Zylinderparabolstreifen, z.B./beim Strahler
2, abgeschlossen und die durch einen kleinen Hornstrahler, z.B. 13 beim Empfangsstrahler
2, im Brennpunkt des Parabolstreifens über Leitungen 14 bis 18 gespeist werden. Die
Flachparabolantennen 2 bis 6 sind in der vertikalen Ebene so geneigt, daß jeweils
die gewünschte vertikale Hauptstrahlrichtung 7 bis 11 entsteht. Die Zuleitungen 14
bis 18 der-Einzelstrahler 2 bis 6 sind an eine Schaltereinrichtung 19 geführt. Mittels
dieser Schalterein-. richtung 19 lassen sich-zeitlich nacheinander jeweils zwei benachbarte
Einzelstrahler mit zwei Empfängern 20 und 21 verbinden. Die Sendeleistung wird von
einem zusätzlichen Einzelstrahler 22, der ebenfalls als Flachparabolantenne ausgebildet
ist und den Zylinderparabolreflektor 1 auch mitbenutzt, abgestrahlt. Dieser Einzelstrahler
22 erzeugt ein breites vertikales Strahlungsdiagramm, z.B. ein Kosekans
2-Diagramm, was durch die beiden Richtungspfeile 23 und_24 angedeutet.ist. Die Zuleitung
zum Einzelstrahler 22 ist mit 25 bezeichnet. Wenn im Empfangsfall nur die Einzelstrahler
2 bis 6 benutzt werden, kann das Sendeantennendiagramm einen stärkeren Energieabfall
aufweisen als nach dem Kosekans
2-Gesetz. Der Einzelstrahler 22 kann unabhängig von den Empfangsstrahlern 2 bis 6 ebenfalls
zum Empfang verwendet werden. Durch die in der Vertikalebene breite Antennenkeule,
die durch den Einzelstrahler 22 erzeugt wird, ist während des A
btastvorgangs der Einzelstrahler 2 bis 6 mittels der Schaltereinrichtung 19 dann trotzdem
eine andauernde Zielverbindung gegeben. Da der Sender 26 und die beiden Empfänger
20 und 21 sowie ggf. ein Empfänger 27, mechanisch feststehend ausgebildet sind, ist
eine Mehrfachdrehkupplung 28 vorgesehen, deren Kanalzahl sich nach der Zahl der Empfänger
richtet..Der Sender 26 und der zusätzliche Empfänger 27 werden über einen Duplexerschalter
29 an die Zuleitung 25 getrennt angeschaltet.
[0019] Je nach Hauptstrahlrichtungen der Strahler kann eine Vertauschung der Strahler, z.B.
der Sendeantenne 22 zwischen den Empfangsstrahlern 2 bis 6 günstiger sein.
[0020] Fig. 2 zeigt den Zylinderparabolreflektor 1 und die Einzelstrahler 2 bis 6 sowie
22 der Antennenanordnung nach Fig. 1. Hierbei sind jedoch die relativ zur Brennlinie
des Zylinderparabolreflektors 1 geneigten Flachparabolantennen 2 bis 6 und 22 an der
Seite ihrer Öffnung so verlängert, daß die Aperturebenen die Brennlinie des Reflektors
1 enthalten. Die Verlängerungsstücke sind schraffiert dargestellt und mit 30 bis 34
bezeichnet. Durch diese -Maßnahme wird eine Verbesserung der azimutalen Fokussierung
erreicht. Beim Einzelstrahler 4 enthält die Aperturebene sowieso die-Brennlinie des
Zylinderparabolreflektors 1, so daß keine Verlängerung mehr nötig ist.
[0021] Die Fig. 3 uhd 4 zeigen die Lage der Primärstrahlerreihe mit den Einzelstrahlern
2 bis 6 und 22 in bezug auf den Zylinderparabolreflektor 1 bei einem symmetrischen
Antennenaufbau in einer perspektivischen Ansicht bzw. in einer Ansicht von oben.
[0022] Die Fig. 5 und 6 zeigen die Lage der aus den einzelnen Strahlern 2 bis 6 sowie 22
bestehenden Primärstrahlerreihe in bezug auf den Zylinderparabolreflektor 1 bei einem
asymmetrischen Antennenaufbau ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht bzw. in
einer Ansicht von oben. Der Vorteil der asymetrischen Anordnung, d.h. der sogenannten
off-set-Speisung, liegt darin, daß die Primärstrahlerreihe mit den einzelnen Strahlern
2 bis 6 und 22 außerhalb des Strahlengangs nach der Reflexion am Reflektor 1 liegt
und damit keine Aperturabdeckung mit höheren Nebenzipfeln verursacht.
[0023] Fig. 7 zeigt in einem Diagramm die Empfangspegel E der fünf einzelnen Empfangsstrahler
2 bis 6 der Primärstrahlerreihe in Abhängigkeit vom jeweiligen Elevationswinkel α
. Außerdem ist in Fig. 7 in gestrichelter Darstellung der Sende- und evtl. Empfangspegel
22 des Einzelstrahlers dargestellt, der in der Vertikalebene ein Kosekans
2-Diagramm erzeugt. Durch die Überlappung der Hauptkeulen benachbarter Strahler 2 bis
6 zeigt bei einer Einfachstauswertung der Strahler mit dem höchsten Empfangssignal
grob den Elevationswinkel des Ziels an. Bei einer Monopulsauswertung, d.h. bei einem
quantitativen Pegelvergleich der Empfangssignale zweier benachbarter Strahler, z.B.
der Strahler 3 und 4 mit den Pegelwerten P
3 und P
4, wird eine erhebliche größere Genauigkeit bei der Auswertung des Elevationswinkels
α des erfaßten Ziels erreicht. Die Größenordnung der Genauigkeit liegt bei etwa 1/5
bis 1/10 der Einzelkeulenhalbwertsbreite.
1. Antennenanordnung für ein Radarrundsuchverfahren zur Zielortung mit Höhenerfassung,
bei dem zum Pegelvergleich mehrere übereinander liegende, sich überlappende Strahlungskeulen
mittels eines um eine Vertikalachse zusammen mit einer im wesentlichen vertikal angeordneten
Primärstrahlerreihe rotierenden Reflektors erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet
, daß der Reflektor/ein nur in der horizontalen Ebene eine Strahlfokussierung erzeugender
Zylinder-Parabolreflektor (1) ausgebildet ist, entlang dessen Brennlinie die Primärstrahlerreihe
angeordnet ist, daß die in ihrer horizontalen Ausdehnung verhältnismäßig schmal ausgebildeten,
einzelnen Strahler (2 bis 6) der Primärstrahlerreihe in der vertikalen Ebene so geneigt
sind, daß jeweils die gewünschte Hauptstrahlrichtung der von ihnen erzeugten, übereinander
liegenden Einzelkeulen im Vertikaldiagramm entsteht, und daß die einzelnen Strahler
(2 bis 6) in der Primärstrahlerreihe in ihrer vertikalen Ausdehnung so bemessen sind,
daß eine gewünschte Bündelung der übereinanderliegenden Einzelkeulen entsteht.
2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Strahler
(2 bis 6) der Primärstrahlerreihe sogenannte Flachparabolantennen sind, die relativ
zur Brennlinie des Zylinderparabolreflektors (1) mehr oder weniger geneigt sind und
aus zwei parallel zueinander verlaufenden Metallplatten bestehen, welche durch einen
metallischen Zylinderparabolstreifen (12) abgeschlossen sind, in dessen Brennlinie
ein Hornstrahler (13) angeordnet ist und daß die Speisung symmetrisch oder asymmetrisch
erfolgen kann (Cheese-Box-Antenne, Pillbox-Antenne).
3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die relativ zur
Brennlinie des Zylinderparabolreflektors (1) geneigten Flachparabolantennen (2 bis
6) an der Seite ihrer Öffnung so verlängert sind (30 bis 33), daß ihre Aperturebenen
die Brennlinie des Zylinderparabolreflektors (1) enthalten.
4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Strahler
der Primärstrahlerreihe flache Hornstrahler sind.
5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß den HornstrahlemLinsenvorgesetzt
sind.
6..Antennenanordnung:nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlerreihe
(2 bis 6). symmetrisch vor dem Zylinderparabolreflektor (1) angeordnet ist (Fig. 3
und 4).
7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß
die Primärstrahlerreihe (2 bis 6) asymmetrisch (off-set) vor dem Zylinderparabolreflektor
(1) angeordnet ist (Fig. 5 und 6).
8. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen Strahler der Primärstrahlerreihe gleichzeitig jeweils an einen Empfänger
angeschlossen sind.
9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis7, dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Strahler der.Primärstrahlerreihe zeitlich der Reihe nach mittels einer
Schaltereinrichtung mit einem einzigen Empfänger verbunden werden.
10. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß
mittels einer Schaltereinrichtung (19) der Reihe nach jeweils.zwei benachbarte einzelne
Strahler (2 bis 6).der Primärstrahlerreihe mit zwei Empfängern (20, 21) verbunden
werden.
11. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Abstrahlung der Sendeleistung ein zusätzlicher, den Zylinderparabolreflektor
(1) strahlungsmäßig beaufschlagender Primärstrahler (22) vorgesehen ist.
12. Antennenanordnung nach Anspruch 11, dadurch .gekennzeichnet, daß der zusätzliche
Primärstrahler (22) so ausgelegt und vor dem Zylinderparabolreflektor (1) angeordnet
ist, daß ein vertikales Sendeantennendiagramm in Form eines zumindest angenäherten
cosec2-Diagramm erzeugt wird.
13. Antennenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der zusätzliche
Primärstrahler (22) auch zum Empfang eingesetzt ist, allerdings nicht in demjenigen
Fall, wenn wie nach Anspruch 8 die einzelnen Strahler der Primärstrahlerreihe jeweils
an einen Empfänger angeschlossen sind.
14. Antennenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß der zusätzliche
Strahler (22) ebenfalls als Flachparabolantenne ausgebildet ist und in der Primärstrahlerreihe
liegt.
15. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß bei mechanisch feststehendem Sender (26) und bei mechanisch feststehenden Empfängern
(20, 21, 27) die Zuleitung zu den Primärstrahlern über eine MehrfachDrehkupplung (28)
erfolgt.
16. Antennenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß für den Fall,
daß weniger Empfänger (20, 21) als einzelne Strahler (2 bis 6) der Primärstrahlerreihe
vorgesehen sind, über der Drehkupplung (28) eine Schaltereinrichtung (19) zur zeitlich
aufeinanderfolgenden Verbindung von einzelnen Strahlern (2 bis 6) mit den Empfängern
(20, 21) angeordnet ist.