[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine phasengesteuerte Gruppenantenne der
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Derartige Antennen finden insbesondere
als Radarantennen für Luftraumüberwachung vorteilhafte Anwendung.
[0002] Es ist bekannt, daß sich die Richtung der Antennenkeule von Gruppenantennen durch
Veränderung der Phase der Antennenelemente trägheitslos verändern läßt. Bei einem
ebenen oder linearen Array sind die Werte der Phasen der Ströme in den einzelnen Antennenelementen
nach der folgenden bekannten Formel einzustellen:

In dieser Formel ist ϕ
n die Größe der einzustellenden Phase des n-ten Strahlerelements, sin ϑ ist der Sinus
des Winkels der Abstrahlrichtung ϑ gegen die Normale auf der Antennenfläche, x
n ist die Koordinate des Antennenelementes in der Richtung parallel zur Ebenen die
durch Normale und Abstrahlrichtung gebildet wird und λ
o ist die Wellenlänge.
[0003] Bei Radarantennen zur Luftraumüberwachung ist es darüber hinaus üblich, die Phasensteuerung
nicht nur zur Strahlschwenkung, sondern auch zur Verbreiterung der Antennenkeule (beam
spoiling) zu benutzen. Dabei wird der Steuerungsphase ϕ
n ein zweiter Wert

hinzuaddiert, der be- wirkt, daß das von den Antennenelementen angeregte Wellenfeld
nicht mehr eine ebene Phasenfront, sondern eine gekrümmte Phasenfront aufweist. Als
besonders geeignet hat sich z. B. ein Verlauf dieser Keulenverbreiterungsphase

proportional dem Cosinus des Abstands von der Antennenmitte erwiesen

Dabei ist D der Durchmesser der Gruppenantenne in x-Richtung und x werde von der Mitte
der Antennenfläche aus gemessen. Die Realisierung dieser verbreiterten Antennenkeulen
führt in der Praxis vielfach zu unbefriedigenden Ergebnissen, da die durch Krümmung
der Phasenfront verbreiterten Diagramme empfindlich bezüglich fehlerhaften Abweichungen
der Amplitude der Antennenelemente sind. Die Krümmung der Phasenfront bewirkt nämlich,
daß die von der Antennenfläche abgestrahlte Leistung nicht mehr vorzugsweise nur in
eine Raumrichtung abgestrahlt wird, sondern daß jedes Antennenelement vorzugsweise
in die Richtung der Senkrechten auf die Phasenfront am jeweiligen Ort des Elements
strahlt. Damit ist der Verlauf der Amplitude der Hauptkeule des Antennendiagramms
angenähert ein Abbild des
Amplitudenverlaufs über die Antennenfläche. Nun weisen Leitungssysteme zur Speisung
der Antennenelemente vielfach toleranzbedingte oder sogar systematische Fehler auf,
insbesondere die wegen ihrer Kompaktheit bevorzugten seriellen Speisungen, vor allem
bei breitbandiger Verwendung. Dies hat zur Folge, daß die erzielten Antennenkeulen
verformt sind, welches wiederum in der Radaranwendung zu fehlerhaften Richtungsbestimmungen
führt.
[0004] Eine Einschränkung der Toleranzen würde zu einem erheblichen Aufwand in der Entwicklung
und Produktion solcher Speisungen führen. Eine nachträgliche Korrektur der Amplitudenwerte
wäre nur durch zusätzliche Leistungsverluste zu erkaufen und ist schwierig zu realisieren.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine phasengesteuerte Gruppenantenne anzugeben,
die ohne größeren zusätzlichen Aufwand die störenden Auswirkungen der toleranzbedingten
Amplitudenfehler auf das Diagramm beseitigt, ohne zusätzliche Leistungsverluste in
Kauf nehmen zu müssen.
[0006] Die erfindungsgemäße Lösung ist bei einer Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben.
[0007] Anspruch 2 beschreibt eine besonders vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens.
Die Ansprüche 3 und 4 geben günstige Weiterbildungen der Erfindung an.
[0008] Wesentlich an der Erfindung ist also die Kompensation der-Auswirkung der fehlerhaften
Amplituden durch Einstellung der Steuerphasen nach Maßgabe der gemessenen Amplitudenverteilung.
Nachdem die phasengesteuerte Gruppenantenne ohnehin über die dazu notwendigen Phasenschieber
verfügt, ist für die erfindungsgemäße Antenne nur eine zusätzliche Funktion des zur
Steuerung der Phasenschieber verwendeten Rechners (Beam Stearing Unit) nötig.
[0009] Im folgenden wird eine besonders vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens
unter Bezugnahme- auf die Abbildungen eingehend beschrieben.
[0010] Grundlage der nachfolgenden Herleitung einer Beziehung zwischen gemessenem Amplitudenverlauf
und Einstellwerten für die Phaseneinstellung ist die Anwendung der geometrischen Optik
auf die Synthese von Antennendiagrammen durch Gestaltung des Phasenverlaufs,wie sie
z. B. für die Berechnung von Reflektorantennen üblich und z. B. in S. Silver: Mikrowave
Antenna Theory and Design, Mc.Graw Hill 1949, pp. 497 ff. beschrieben ist.
[0011] Ziel dieser Synthese ist es, zu einer gegebenen Verteilung der HF-Leistung über den
Antennenquerschnitt P
A (x) den Phasenverlauf zu finden, der bewirkt, daß diese Leistung gemäß einer gewünschten
Verteilungsfunktion P
F (1ϑ) im Fernfeld abgestrahlt wird, d. h., daß in den betrachteten Schnittebenen ein
Antennendiagramm mit gewünschtem Verlauf in Abhängigkeit zum Richtungswinkel ϑ erzielt
wird. Wegen der Reziprozität gelten grundsätzlich alle Ausführungen auch analog für
die Empfangsantenne.
[0012] Da, wie bereits dargelegt, bei diesem Verfahren der Diagrammsynthese jede Zone der
Antenne hauptsächlich in eine bestimmte Raumrichtung strahlt, kann aus dem Energieerhaltungssatz
folgende Zuordnung der Querschnittskoordinaten x zum Winkel ϑ gefunden werden

D sei der Durchmesser der Antenne und ϑ
o die Richtung, bei der-die gewünschte Abstrahlung beginnen soll. Die Verteilung der
Leistung über den Antennenquerschnitt läßt sich durch Messung an der montierten Gruppenantenne
bestimmen. Entweder mißt man sie an den Eingängen der Erreger - in diesem Fall ist
das Integral durch die Summe über die Leistung der Erreger zu ersetzen - oder direkt
vor den Erregern auf einem Nahfeldmeßplatz.
[0013] Falls es sich nicht um eine lineare Antennengruppe, sondern um ein zweidimensionales
Array handelt, ist jeweils die mittlere Leistung einer Zeile von Elementen quer zu
Ebenen der betrachteten Abstrahlrichtung zu nehmen.
[0014] Die gewünschte Leistungsverteilung im Fernfeld hängt vom Anwendungszweck ab. Vielfach
wird ein Sektordiagramm gefordert:

Dieses ideale Wunschdiagramm führt allerdings wegen der Beugungseffekte zu Realisierungen
mit oszillierendem Diagrammverlauf. Daher empfiehlt es sich, anstelle der idealen
Sektorfunktion (4) eine dieser ähnlichen zu wählen, die keine scharfen Sprünge aufweist.
Wenn die Antennenverwendung keine andere Leistungsverteilung im Fernfeld erfordert,
ist entsprechend ein anderes Wunschdiagramm zu wählen (etwa Cosecans im Quadrat).
[0015] Sind beide Funktionen P
A und P
F gegeben, so läßt sich durch numerische Integration von (3) jedem Koordinatenwert
x auf der Antennenapertur eine Abstrahlrichtung ϑ(x) zuordnen. Die gesuchten Phasen

= ϕ (x ) ergeben sich aus der Tat- sache, daß die Abstrahlrichtung senkrecht auf
der Phasenfront steht, d. h. bei Zählung des Winkels ϑ von der Normalen auf die x-Richtung
aus ist die Ableitung der Phase nach der Koordinaten x gleich dem Tangens des Winkels
ϑ

Die numerische Integration von (5)

liefert direkt den Einstellwert für die Steuerphase des Elements am Ort x . n
[0016] Diese Phasenwerte werden in dem zur Steuerung des Phasenschiebers verwendeten Rechner
als Konstante gespeichert. Soweit die Radaranlage in mehreren Frequenzen betrieben
wird und die Strahlungsamplituden der Elemente sich über die Frequenz erheblich ändern,
sind die Phasenwerte für jede Frequenz gesondert zu bestimmen und abzuspeichern.
[0017] FIG. 1 zeigt ein Beispiel für eine lineare Gruppe von Dipolen (1-6) mit den Koordinaten
x
I-x
6, die von einem Sender T über eine Speiseleitung S angeregt werden. Die Phasen ϕ
1-ϕ
6 können durch elektronische Phasenschieber eingestellt werden. Vor den Dipolen ergibt
sich eine Verteilung der HF-Leistung P (x), die z. B. mit einem Testempfänger R gemessen
werden kann.
[0018] FIG. 2A zeigt den optischen Strahlengang und Kurven gleicher Phase vor der Gruppenantenne
nach FIG. 1. Durch die Phaseneinstellung geht von der Antennenapertur A eine gekrümmte
Wellenfront aus. Die abgestrahlte Leistung verläuft parallel zu den optischen Strahlen
S,die senkrecht auf den Kurven gleicher Phase P stehen, in die Raumrichtung ϑ. Die
Winkellage der Strahlen ϑ(x) hat so zu erfolgen, daß die Leistungsdichte pro Winkeleinheit
dem geforderten Verlauf P
F(ϑ) entspricht. Ein Beispiel für eine solche gewünschte Leistungsverteilung im Fernfeld,
ein Sektordiagramm, ist in FIG. 2B dargestellt.
[0019] Die FIG. 3A zeigt (in kartesischer Darstellung) einen Querschnitt durch ein Diagramm
einer seriell gespeisten Gruppenantenne ohne die erfindungsgemäße Korrektur der Amplitudenfehler
über die Einstellung der Steuerphasen. Deutlich erkennbar sind die assymetrischen
Diagrammverzerrungen, die beim Betrieb der Antenne zu beträchtlichen Winkelmeßfehlern
führen können. FIG. 3B zeigt demgegenüber das unter Anwendung des Erfindungsgedankens
auf dieselbe Antenne korrigierte Diagramm.
1. Phasengesteuerte Gruppenantenne mit einer Vielzahl einzelner Strahlerelemente oder
Zeilen von Strahlerelementen mit je einem steuerbaren Phasenschieber, die über ein
Verteilernetzwerk mit einer gemeinsamen Speiseleitung verbunden sind, wobei die Soll-Belegung
der relativen Amplituden der einzelnen Strahlerelemente durch den Ort des einzelnen
Strahlerelements innerhalb der Strahlergruppe und durch das gewünschte Antennendiagramm
festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Lesespeicher für die individuelle
Einstellung der steuerbaren Phasenschieber Einstellwerte gespeichert sind, die nach
Maßgabe der Abweichung des gemessenen Verlaufs der tatsächlichen relativen Amplituden
der einzelnen Strahlerelemente von der Soll-Belegung so bemessen sind, daß-die Einstellung
der Phasenschieber durch eine Steuereinrichtung auf diese Einstellwerte eine Kompensation
der durch die Amplitudenabweichungen hervorgerufenen Diagrammverzerrungen bewirkt.
2. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Einstellwert

zur Steuerung der Phasen des n-ten Strahlerelements mit der gemessenen Amplitudenbelegung
P
A(x) in der Antennenapertur in Abhängigkeit von der parallel zum betrachteten Diagrammschnitt
verlaufenden Koordinaten x und der gewünschten Diagrammform P
F(ϑ) in Abhängigkeit vom Winkel der Abstrahlrichtung. ϑ über die Beziehung

mit ϑ (x) so definiert, daß.

verknüpft ist, wobei x die Koordinate des n-ten Antennenn elements, D der Durchmesser
der Antennenapertur und -ϑ o der Winkel, bei dem die Abstrahlung beginnen soll, sind
und die Phasenverschisbung ϕ
const beliebig, aber für alle Strahlerelemente gleich ist.
3. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die steuerbaren Phasenschieber zugleich noch mit der Steuereinrichtung zur elektronischen
Schwenkung des Diagramms verbunden sind.
4. Phasengesteuerte Gruppenantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Be-triebsart mit mehreren Sendefrequenzen zu jeder Sendefrequenz ein eigener
Satz Einstellwerte gespeichert ist.