DE1591214A1 - Antennensystem fuer ein Anflug-Radargeraet - Google Patents

Description

Die irriorität der Anmeldung Hr.570 991 vom S.August 1966 in den Vereinigten otaaten von Amerika wird in Anspruch

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennensystem für im Anflug-Radargerät, bei dem ein Bleistiftstrahl rasch in zwei Richtungen, Azimut und Elevation geschwenkt werden kann.

Wenn auch das vorliegende Antennensystem nicht für eine spezielle Aufgabe beschränkt ist, so ist es doch zur Erzeugung und Schwenkung eines stark gebündelten Abtaststrahles innerhalb eines kleinen Winkelbereiches geeignet; eine solche Aufgabe ist bei Anflug-Radargeräten für die bodengesteuerte Landung von Flugzeugen (G-CA- Sys tem) vorhanden, bei denen in einer Richtung die Raumabtastung verhältnismäßig langsam und mit sinusförmiger Zeitfunktion erfolgen kann·

Das für das G-GA-System und ähnlich gelagerte Aufgaben gedachte Antennensystem besteht aus einer zweidimensionalen Strahleranordnung mit Einzelstrahlern in vertikalen und horizontalen iieihen (.spalten und Zeilen), In der einen Koordinate, normalerweise in der Vertikalen, alao in der Elevation, ist das Antennensystem so gebaut, dai.i es frequenzabliängig ist, d.h. laß der ^levationswin-L:el des Blei-atiftstrahles eine Punktion der (im Hikrowellenbei-eieli liegenden) gesendeten oder empfangenen frequenz isx.

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Jede vertikale Reihe von otrahlern (üchlitzstrahlern) wird gemeinsam erregt von in Abständen liegenden Punkten entlang des Wellenleiters, der mäanderförmig ausgebildet ist; der Grund für eine solche Ausbildung wird im Laufe der Beschreibung noch ersichtlich v/erden, Eine Hehrzahl von solchen mäanaerfürmi^en WeI-lenleitern ist nebeneinander gesetzt, so daß die Strahler in einzelnen horizontalen Reihen (2eilen) zu liegen koniuen, und zwar nach einem festgelegten Gesetz; es bilden sich dann auch die oben erwähnten vertikalen Reihen (Spalten) von diskreten otranlern« » Eine Zeile von diskreten Strahlern wird gebildet uurcn die entsprechenden strahier in den einzelnen 'Wellenleitern·

Bei dieser Anordnung werden die einzelnen Wellenleiter von aufeinanderfolgenden Punkten längs eines Wellenleiters mit veränderlicher weite gespeist, der als Pfcasenverteiler wirkt.

Dieser .t has envert eiler mit" dem Wellenleiter veränderlicher ,Veite arbeitet in der Weise, daß die Phase der Mikrowellenenergie, die in aufeinanderfolgende Wellenleiter eingespeist wird, sich entsprechend der veränderlichen Weite des ihasenteiler-Wellenleiters ändert· öo kann also die ganze Anordnung als ein dystem betrachtet werden, bei dem eine Diagrammschwenkung in der Azimutrichtung durch xhasenvariation stattfindet und bei dem die Diagrammschwenkung in der Jievationsrichtung durch Frequenzvariation bev/irkt wird. Die Abstrahlrichtung des Bleistiftaiagramaies in der Azimutrichtung ist also sine Punktion der Wellenleiterweite des rhasenverteilers. In Blevationsrichtung erzeugt die Prequenzvariation selbst progressive Phasenveränderungen der iJnergie zwischen aufeinanderfolgenden Strahlern, die in den einzelnen mäanderförmigen Wellenleitern in bestimmtem Abstand übereinander liegen. Der Abstrahlwinkel des in ilevationsrichtung gesendeten oder empfangenen Bleistiftdiagrammes ist also von der /req/aenz abhängig.

Strahlersystenie mit mäanderförmigen WeI^ aleitern und mit Jtrahlerelementen in deren ./änden zur Jiagrawi-sehwenkuiig varch ?requenzvariation sind an sich bekannt (l-^r3.t~ -atentschri.:.'- 3OJ9O97).

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jiis sind auch otrahlersysteme bekannt, bei denen diese bekannte 'focimik eier x»iagrarumschwenkung durch j?requenzvariation kombi- - · niert iet mit einer rhasenvariation, um eine- Hehrzahl von otrahlerelementen in einer zweidimensionalen Strahleranordnung zu erregen, um eine Diagrammschwenkung durch Phasenvariation zu verwirklichen* Bei diesen bekannten systemen werden jedoch, um die frequenz- und Phasenvariation zu bewirken, sehr umfangreiche jj'requeiis- und χhasensteuerungen verwendet mit vielen Generatoren für uie verscniedeuen Frequenzen, mit vielen Hisch- und Vervielfacher tuf en und üuiamen-jjifferenznetzwerken.

üüi ier vorliegenden .Erfindung wird aage|,e.a zur i has ens teue rung jene ober. erw'ihnte ,/ellenleiteranordming rait veränderlicher Yfeite verwenait, wodurch uer komplexe Aufbau für die sonst übliche x hr.s ens teue rung wegfällt, überdies wird durch die Erfindung ein stabiler ..ufbuu dec ,aitenuensysteiiiS gev/ährleistet bei vergleichB- \iei.ii-i geringen iloöten; ein weiterer Vorteil ist, daß die Strahliicliv.'enicuiu; in der durch die Phasensteuerung beeinflußte Koordinate (Azimut) in relativ einfacher Jei.se bewirkt und iait weiohen υb_errunden erfolgt.

Allo3 in all·/.; k;uin gesagt werden, daß aurcii die ürfinäung ein veri:--.lt.:isuüi.--ij einfaches, sehr etabiles, :ut arbeitenaes und relativ billi^.^.i Antemiensystem ^eochiiffo^ wird, mit dou ein Blei.5tiftdia.;ri-.iin für ein Anflu^rauar,:eri.t in 2v/ei iloordinoten gesciiV/enkn; weraen kann.

Jie .Jrfinduiie; ^ii'J rnhanu. von ii^uren näher erläutert, ei..--- Ansicht oiner Liaanieriürmigen /ellenleixeranordnung, teil- vivj.se im oclmitt, ..it Strahlern darstellt, die ein zweidimensional es Antennensystem bilden.

I^?i_o.2 zeigt .jinseiheiten des Hechanismus und der Konstruktion des liellenleiters mit veränderlicher .Veite, der den Phasenverteiler bildet.

Ji¹Ig.5 zeigt rl: L.-lockdiagraL.m ei:ie typische £sysi.eaaiiord:-v.ng und Pig.4 zeigt ein anderes ^usführungsbeispiel eines ihasenverteilers, wie dieser bei der hier beschriebenen Strahleranordnung benutzt

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werden kanne

In Fig.1 ist eine Anordnung τοη mäanderförmigen Wellenleitern dargestellt! daraus geht hervor, daß jeder einzelne mäanderförmige Wellenleiter aus zwei Teilen 101 und 102 besteht, die hier aufgeklappt gezeichnet sind. Wenn die beiden Teile geschlossen sind, greifen eine Anzahl von Stiften 106 in dem Teil 102 in entsprechende Löcher 107 im Teil 101. Der mechanische Aufbau und die Mittel, um guten Kontakt zwischen den Teilen 101 und 102 zu gewährleisten, sind bekannt und gehören nicht zum Schutzunifang der Erfindung.

J Jeder der Teile 101 und 102 eines Wellenleiters besteht aus einem mit entsprechender G-enauigkeit ausgefrästen Metallblock, meist aus einer Aluminiumlegierung oder aus einem anderen gut leitenden und maschinell zu bearbeitenden Material. Die eingearbeiteten Rillen 115 und 116 sind genau bündig und bilden nach dem Zusammenfügen der Teile 101 und 102 den vollständig umschlos senen Wellenleiter. Jie ganze Anordnung von nebeneinander liegen den Wellenleitern bildet so einen mechanisch festen Block, unempfindlich gegen äußere Einwirkungen.

Bei der in Fig.1 dargestellten Auaführungsform-#·* der Teil einen Vor si-rung 117» der beim Zusammenbau der Teile 101 und in einer Vertiefung 105 im Teil 101 zu liegen kommt; Toleranzen bei der Bearbeitung des Materials können ausgeglichen, und es kann somit eine bessere Wirkungsweise erzielt werden durch in den Vorsprung 117 eingearbeitete Taschen 118 und 119» die als Drosselpartien wirKen. Auf diese Weise wird eine verlustlose Verbindung zwi seilen den i?läoheii 104. und 120 hergestellt.

Die und ei: der einzelnen Wellenleiter, beispielsweise das Ende 121, müssen, obwohl aics in der Fig.1 nicht eigens· gezeichnet ist, bekanntermaßen einen elektrischen Abschluß haben.

Ein Teil ues Vor. -runges 117 ist zum Lv/ecke der besseren Erläuterung der Einspeisung mittels eines Koaxialleiters, der jeden der Wellenleiter mit einem bestimmten Punkt des darunter liegenden Ihaaenvorteilers verbindet, im Schnitt gezeichnet."

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Die Bohrung 113, die vom darunter liegenden Phasenverteiler bis an den Anfang 122 des Wellenleiters verlauftjist der Außenleiter einer koaxialen Speiseleitung, mit dem Innenleiter 114° Die Auslegung der koaxialen Ankopplung an den Wellenleiter ist nach den Prinzipien, wie sie bei Übergängen von koaxialen Leitungen zu Hohlleitern üblich sind, ausgeführt.

Der Phasenverteiler, dessen oberer Ausgang nach der !Trennwand 103 hin liegt, ist in Fig.2 in Einzelheiten dargestellt.

Die Strahlerelemente 108 bis 112 sind typisch für die ganze Anordnung; es sind Kreuzschlitzstrahler in der einen Wand der mäanderformigen Wellenleiter. Es ist zu beachten, daß die otrahlerelemente 108, 109 und 110 unsymmetrisch zur vertikal verlaufenden Mittellinie eines jeden Wellenleiters liegen. Der Zweck der unsymmetrischen Anordnung bei diesem Ausführungsbeispiel ist es, zirkulär polarisierte Mikrowellenenergie auszustrahlen. Die Art und Weise der anordnung solcher Strahlerelemente in einer Wellenleiterwand, um die Ausstrahlung zirkulär polarisierter ,fellen zu erreichen, ist an sich bekannt. Man ersieht, daß alle strahlerelemente in der gleichen vertikalen Reihe, z.B. die Strahlerelemente 108, 109 und 110 mit Energie von ein und demselben, ersten Punkt des.Phasenverteilers darunter-versorgt werden. Dasselbe gilt für alle Strahlerelemente in der gleichen vertikalen Reihe; z.B. erhält der Strahler 111 und alle in der gleichen vertikalen Reihe liegenden, nicht einzeln bezeichneten Strahler ihre Energie von einem zweiten Punkt des Phasenverteilers, usw.

Es ist weiter oben ausgeführt worden, daß die Schwenkung des Bleistiftdiagrammes, das von der Anteniienanordnung gemäß Fig.i erzeugt wird, durch Veränderung der die gesamte Antennenanordnung erregenden frequenz erfolgt. Der Abstrahlwinkel einer in j?ig.1 dargestellten linearen Strahleranordnung mit fortschreitenden Wellen ändert sich, wenn die Speisefrequenz variiert wird, aber die eigentliche Änderung des Abstrahlwinkels als Funktion der !Frequenz ist natürlich auch von den geometrischen Abmessungen der Strahleranordnung abhängig. Der bei einer vorgegebenen frequenzänderung erreichbare Bereioh der Strahlschwenkung

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(d.i. dx/df) bei einer linearen Strahleranordnung mit nur einem geraden V/ellenleiter ist nicht ausrdchend, um einen für die Praxis brauchbaren Schwenkbereich zu bekommen, ohne eine Frequenzvariation von 5 bis '\Q^K _/ö zu überschreiten, die von den verschiedenen Bauteilen hinsichtlich ihrer Bandbreite gerade noch toleriert werden kann. Um also die Frequenzabhängigkeit des Schwenkbereiches der otrahleranordnung derart zu erhöhen, daß bei der erreichbaren Bandbreite der Bauteile auch der gewünschte Schwenkwinkel erreicht werden kann, muß die Länge des Wellen-) leiters zwischen den einzelnen Strahlerelementen beträchtlich erhöht werden, um zu bewirken, daß die Phasenverzögerung zwischen Strahlerelementen bedeutend größer wird, als es der Phasenverzögerurg zwischen den dtrahlerelementen auf Grund ihres gegenseitigen Abstandes auf dem Wellenleiter entsprechen würde. Die Vergrößerung der Länge des ,/ellenleiters wird durch die mätnderförmige Ausbildung erreicht, so daß die Abmessungen des Antennei,.-Bystems kleiner sind als die eigentliche Länge der V/ellenleiter.

In Fig.2 sind mechanische und konstruktive Einzelheiten des Phasenverteilers dargestellt.» Dieser ist, nach den Prinzipien eines sogenannten "Delta a"-Abtasters aufgebaut. Derartige Abtaster sind bekannt und werden seit langem bei GOA-Radaranlagen verwendet (USA-Patentschriften 2 605 413; 2 596 115; 2 596 966). Bei diesen Ausführungen sind die Strahler Heihen von Dipolen längs des .Wellenleiters; die in Längsrichtung im Inneren des Wellenleiters veränderliche Phase der Energie verursacht die Richtungsänderung des öt rahlungs diagrammes, das -aST Funktion der Weite des Wellenleiters in der sogenannten "a"-Dimension ist.

Wie in den obengenannten USA-Patentschriften ist auch hier eine Reihe von koaxialen Ankopplungen längs des Phasenverteilers vorgesehen, mittels derer die jinergie in die einzelnen mäanderförmigen »/ellenleiter eingekoppelt wird, in der gleichen Weise, wie bei den Ausführungen gemäß den genannten USA-Patentschriften die Energie mittels der koaxialen Koppelglieder den Dipolen zugeleitet wird.

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Die Ansicht in iri^.2 ist gegenüber der in 3?ig.1 um 90° gedreht, und die .Abdeckung 201 ist durchbrochen gezeichnet, um den Mechanismus erkennen zu können. Die Lage der Wellenleiter in Fig.2 wird klar, wenn man die eine tfand 101 des letzten Wellenleiters betrachtet (s.a.Pig.1)· Die koaxiale Ankopplung erfolgt durch ein Loch 207 (entsprechend 113 in i^lig.i) in der Trennwand 103, das den .außenleiter darstellt, wahrend ein Stift 208 (entsprechend 114 in JPig.1) den Imienleiter der koaxialen Ankopplung bildet, ,iin jorastäcic 202 wird von Brückengliedern, von denen in iig.2 ) 216 und 217 zu sehen sind, in seiner Lage längs des Wellenleiters gehaltert. ^iU bewegliches bauteil 2υ3» aas zur Veränderung der 3u_ö-en.'innten "a"-Diinension dient, -ird, wie aus i<^lig.2 hervorgeht, auf und ab bewegt, wodurch uer ^uerschnitx ainer Wellenleiterkuiumer 209 verändert wird, Drost-eltaschen 2o4, 205 und 206 verhindern Verluste von Hochfrequen^energie an den gleitenden Flächen. äin Antriebsmotor 236 bewirkt -tber eine in einem Lager- 235 gelagerte Kurbel 234 unu eine oc'n äx;t,^i-je 233 eine Longitudinalbewegung von AiitriebsG tang en 23ü und 232. In d-jr Konstruktion sind noch mehrere Ütellhebel 22u, 221, 222 una 223 einerseits an den Antriebstangen 230 und 232 andererseits an dem beweglichen Bauteil 2üp drehbar angebaut, mit derfin Hilfe das bewegliche Bauteil 203 auf und abbewegt wir.d» und swur parallel au den ,(änden der . V/ellenleiterkammer 209· -^!ie uafür vorgesehenen Lager haben die BezuGSssahlen 224, ;2'ϊ5, 226, 227, .120 und 229. ^ine Jtun^e 237 mit "rtL Hancliette dient auch dazu, die Veränderung der ..eite des Wellenleiters von auiien abschätzen au können. Rollen 212, 213, 214 und 215, die wie in iii_:.2 gezeigt, montiert sind, üben mechanischen Druck gegen jenen L'eil des beweglichen Bauteiles 203 aus, der an den sollen anlieft. Iiontageblocke 218 und 219 dienen dasu, um eine feineinstellung aer ».'ellenlelterweite vorzunehmen; das geschieht mittels einer .jizahl (nicht gezeichneter) schrauben. Die »jtaiige 237 mit der daran befestigten Manschette dient auch für dr.s bevie^liche Bauteil 203 als Anschlag in Längsrichtung, so daß seine Bewegung nur aufwärts und abwarte erfolgen ' kann. Die Endplatte 211 mit der montageplatte 210 für den Viellen-r leiter können sowohl die iiinspeißung als auch den Ausgang der gesamten Anordnung darstellen; am entgegengesetzten Ende des I'hasenverteilers kann eine ebensolche endplatte zum Verbinden mit einem elektrischen .Abschluß vorgesehen sein.

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Das vereinfachte Blockschaltbild gemäß Pig.3 verdeutlicht das Zusammenarbeiten der einzelnen Apparategruppen und den Anschluß an die Antennenanordnung«, ji'in Frequenzumsetzer 301 erzeugt eine Subharmonische derjenigen variablen Frequenz, die nach entsprechender Vervielfachung dem Antennensystem als Speiseenergie zugeführt wird. Die Erzeugung der frequenz kann im frequenzumsetzer 301 selbst programmiert sein oder von der Elevationswinkel-Steuerschaltung 311 beeinflußt werden. Menn eine Selbstprogrammierung vorgesehen ist, muli der Frequenzumsetzer so konstruiert sein, daß

D die Frequenzänderung in ein Analogsignal umgesetzt wird, das dann als Winkelsteuersignal für eine .anzeigeeinrichtung 316 verwendet wird, „enn die ülevationswinkel-oteuerschaltung 311 als Winkelprogrammierer arbeiten soll, ist/Frequenzumsetzer 301 so ausgelegt, daß dieser von den in analoger oder digitaler «Όπα vorliegenden Winkeldaten hinaichtlich seiner Frequenz entsprechend gesteuert wird. Der Frequenzumsetzer kann beispielsweise aus einer Reihe von stabilen (».juarz-) Oszillatoreii bestehen, von denen jeder 'entsprechend dem von der ^levationawinkel-Steuerschaltung 311 gelieferten Signal (analog oder digital) anspricht. Durch Mischen

> und Filtern liefert der Frequenzumsetzer dann "in bekannter v/eise nacheinander die gewünschten Frequenzen nach einem vorgegebenen Programm.

Der Frequenzumsetzer 301 enthält natürlich auch die notwendigen Freqtienzvervi elf acher, mit deren Hilfe die Subharmonischen auf die auszusendende Frequenz gebracht werden; diese wird dann über ein veränderliches nümpfungsglied-302 als Steuersignal einer ■ Wanderfeldröhre 302 nu^ufuhrt », die als Leistungsverstärker arbeitet. Das veränderliche Dämpfungsglied 302 dient zur Einstellung ues richti,_-32i Jingangspegülc für die Wanderfeldröhre 305·

i2in vreiteres einstellbares Dämpfungsglied 304 reguliert den .Angangspejel für eine eitere Wanderfeidrühre 306 über einen Ικο 1·;·.-tor (iiinwegleitung), der verhindert, da-- üie Wanderfeldröhre j>o3 verschieden stark beiastet wird. Die zusätzliche Verstärkung in der Wanderfeldröhre liefert eine genügend große Leistung, um über einen Isolator 307 eine weitere Leistunjsverstärkerröhre 308 'zu

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steuern. Sin Triggerimpuls steuert einen Impulsgeber 312 und dient gleichzeitig als Taktimpuls für den Frequenzumsetzer 301. Wenn die Janderfeldröhre 303 mit niedriger leistung arbeitet, kann sie kontinuierlich schwingen; um jedoch bei Impulsbetrieb die zulässige Dauerstrichleistung nicht zu überschreiten, wird die Wanderfeldröhre 306 von den AusgangsimjJUlsen des Impulsgebers 312 synchron gesteuert. Die Leistungsverstärkerröhre 308 wird ebenfalls impulsgesteuert, und zwar mittels eines Lei|tungsmodulators 314-, der über eine geeignete Verzögerungsleitung 313

) vom Impulsgeber 312 gesteuert v/ird. Die Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers 308 wird dann in den Phasenverteiler der Antennenanordnung, d.h. an der 1-iontageplatte 210 für den Wellenleiter, eingespeist. Das geschieht,wie üblich, über einen Duplexer 309» der als öende-Empfangsschalter arbeitet, so daß die Sendeleistung nicht in den Empfänger 315 gelangen kann, und die von der Antenne 310 empfangenen Signale ohne Verluste direkt in den Empfänger 315 geleitet werden. Eine Azimutwinkel-Steuerschal-« tung 317 liefert ein der mechanischen Stellung der Stange 237 in Fig.2 entsprechendes elektrisches Signal; die Stellung&er Stange

ι 237 entspricht ja auch der augenblicklichen Weite des Wellenleiters (Phasenverteiler) hinsichtlich seiner sogenannten '^"-Dimension. Das Ausgangssignal der Azimutwinkel-Steuerschaltung 317 bestimmt also den Azimutwinkel, unter dem das.Bleistiftdiagramm der Antennenanordnung 310 abgestrahlt wird, während das Ausgangssignal der Elevaticnswinkel-Steuerschaltung 311 den jeweiligen Elevationswinkel bestimmte Der Anzeigeeinrichtung 316 werden Azimut-und Elevationswinkeldaten eingegeben, und sie ist so kon-' struiert, daß ait in getrennten Diagrammen Anzeigen als Funktion von Entfernung und Elevatiοnswinkel und als Funktion von Entfernung und .Azimut liefert. Da der Frequenzumsetzer 301 und die Anzeigeeinrichtung von dem gleichen Triggerimpuls synchronisiert w£rdVentsteht ein feststehendes Bild. Die Ausführung derartiger Anzeigeeinrichtungen (316) mit zwei Kathodenstrahlröhren oder einer Zweistrahlröhre für Anflugradargeräte ist bekannt und nicht ■ Gegenstand dieser Erfindung.

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Die gestrichelt gezeichnete Verbindung 318 (Fig. 3) von der Azimutwinkel-Steuerschaltung zum Antennensystem 310 wird nur in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 gebraucht, die eine andere Methode und Konstruktion zur Bichtungsveränderung eines Bleistiftdiagrammes durch. Phasensteuerung in Azimutrichtung versinnbildlicht. Wie bei der Ausführung gemäß Fig. 1 und 2 wird auch hier ein frequenzvariables Signal einem Wellenleiter 401 zugeführt, um den Abstrahlwinkel eines Bleistiftdiagrammes in der Blevationsrichtung zu verändern. Bei der Diskussion der Anordnung nach 3?ig. 4 wird die Arbeitsweise in der Hauptsache in Bezug auf das Aussenden der Wellen bezogen sein·, sie gilt jedoch ebenso bis auf einige später noch besprochene Einzelheiten - auch für den Empfang, so wie es bei der Anordnung nach Fig. 1 und 2 der Fall ist. Eine Mehrzahl von Zwischenwellenleitern, z.B. 402 und 403 werden aus dem Wellenleiter 401 gespeist. Koppelschlitze, z.B. 417 und 418 Vermitteln, wie bekannt, die Energie einkopplung von einem Wellenleiter in den anderen. Jeder der Zwischenwellenleiter (402, 403) hat einen Ansatz mit entsprechendem Widerstandsabschluß, z.B. 415 und 416, um Impedanzanpassung und das erforderliche Stehwellen-Verhältnis zu erreichen. Desgleichen ist an jedem mäanderförmigen Wellenleiter ein Widerstandsabschluß, z.B. 414 angebracht. Jeder der Zwischenwellenleiter, z.B. 402 und 403, speist einen Ferrit-Phasenschieber, z.B. 404 und 405, an den dann jeweils ein Wellenleiterteil, z.B. 406 und 40? angeschlossen ist, dessen anderes Ende mit dem Eingang des entsprechenden mäanderförmigen Wellenleiters verbunden ist. Bs werden hier nur die Wellenleiter 406 und 407» die in die mäanderförmigen Wellenleiter 408 bzw. 409 führen, besprochen, obwohl eine entsprechende Konstruktion bei allen mäanderförmigen Wellenleitern der Strahlenanordnung vorhanden ist. Der mäanderförmige Wellenleiter 408 entspricht dem mit der Bezugszahl 102 in Fig. 1 bezeichneten und ist im Schnitt gezeichnet, die dem Teil 101 in Fig. 1 entsprechende Hälfte ist in Fig. 4 nicht dargestellt.
Mikrowellen-Phasenschieber sind als Bauteile erhältlich,und zwar

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für jede gewünschte Phasenverschiebung bei Anlagen eines bestimmten Steuersignales. Die in Fig. 4 gezeichneten Phasenschieber·404 und 405 sind vorzugsweise solche mit steuerbaren Gerriten. Jeder der Phasenschieber wird von einem binären Codesignal in Parallelform gesteuert, das in einer Steuerungseinheit 419 erzeugt wird, die ihrerseits von einem Azimutwinkel-Programmgeber gesteuert wird, der an Stelle der Azimutwinkel-Steuerschaltung 317 der Pig. 3 eingesetzt ist, dort jedoch ohne jede Verbindung (318) zur Strahleranordnung 310. Die Ausgaogscpannung cn der Verbindung 318 eines derartigen Azimutwinkel-Programmgebers ist ein binäres Codesignal in Parallelform, das an deii Singang 420 der St eue rungs einheit«» 419 angelegt wird, die dann die Phasenschieber (404, 405) Steuer*. Bin derartiges binäres oteuerprogramm ist auch für die Anzeigeeinrichtung 316 in geeigneter V/eise erforderlich. Der Abstand der Sahlitzstrahler in vertikaler Richtung, z«3. 410 und 411 im mäanderförmigen Wellenleiter 408 sowie 412 und 413 im Wellenleiter 409 ist nach den gleichen Gesetzen festgelegt wie der der Schlitzstrahler 109 und 110 beispielsweise in Pig. 1. Entsprechend dem zeichenparallalen, binären Steuersignal, das an jedefl· äer Ferrit-Phasenschieber angelegt wird, werden durch diese aufeinanderfolgend größere oder kleinere Phasenverzögerungen eingeführt, die davon abhängen, welcher Punkt, in Horizontalrichtung der Strahlenanordnung gesehen, als Anfangspunkt gewählt wird. So bexvirkt das Phasensteuerungsprogramm, wie es hier für die i» horizontaler Eichtung nebeneinanderliegenden mäanderförmigen Wellenleiter ausgebildet ist, die gleiche Phasensteuerung,wie sie mit Hilfe ^des Wellenleiters mit der veränderlichen Weite beim Phasen-

gemäß Fig. 2 bewerkstelligt worden ist.

In der folgenden Tabelle sind die Parameter für die Auslegung der Phasenschieberanordnungen (z.B. 404 und 405 und auch die folgenden) und die in der Praxis vorkommenden Anforderungen für dief zusammengestellt.

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Anzahl der Bit	180°
höchste Binärzahl (Phasenwinkel)	11 - 1/4°
niedrigste Binärzahl (Phasenwinkel)	8,975 bis 9,19 GHz
Frequenzbereich	1 kW
Spitzenleistung	10 W
Dauerstrich	0,7 /us
Impulslänge (HP)	1 yus
max. Schaltzeit für alle Bit	8 kHz
max. Schaltrate	1,2 max.
Stehwellenverhältnis	1 dB max.
Eingangsdämpfung	75° ± 10° 0
Arbeitstemperatur	#v 25 mm aactpa
Breite des Wellenleiters	unbeschränkt
Höhe

In einem Merkmal unterscheiden sich Ferritphasenschieber von den meisten Mikrowellen-Bauteilen^ sie sind nämlich nicht reziprok, d.h. die Phasenverschiebung für eine Welle in einer bestimmten Richtung ist nicht gleich der Phasenverschiebung für die in entgegengesetzter Richtung verlaufende Welle. Für die Strahleranordnung mit den Ferritphasenschiebern nach Fig. 4 heißt das, daß sie die Echos auf die ausgesendeten Signale nicht aufnehmen kann, wenn nicht eine Umschaltung zwischen Senden und Empfang vorgesehen ist, weil sonst die Energieanteile von den einzelnen Strahlern nicht phasenrichtig addiert werden. Glücklicherweise hat das Schaltpro-4ramm, das zur Herstellung der richtigen Fhasenbeziehungen für die eine Richtung des Signalflusses erforderlich ist, eine Beziehung zu der PhasenbeZiehung in der entgegengesetzten Richtung. Das ist die Folge der Beziehungen in einem Phasenschieber für die beiden Einstellungen. Die gesamte Phasenverzögerung für eine gegebene Einstellung in der einen Richtung ist gleich der Verzögerung in der Gegenrichtung für die andere Einstellung, und umgekehrt. Um also zwischen Senden und'Empfang umzuschalten, ist es nur erforderlich, jides Ferrit in seinen zweiten Magnetisierungszustand zu bringen, wodurch eine vollkommene Reziprozität hergestellt wird.

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Um dies bei einem binären Steuersystem zu erreichen, ist es nur erforderlich, sämtliche "1" durch "0" zu ersetzen und umgekehrt.

Der Vorteil von derartigen Digital-Ferritphasenschiebern ist, daß sie geringe Verluste haben, und daß ihre Steuerung relativ einfach ist; sieu haben außerdem einen kompakten Aufbau. Sie weisen auch eine höhere Genauigkeit bei der Phasenverschiebung auf im Vergleich zu Analog-Ferritphasenschiebern, die beide für sich bekannt sind.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 kann eine sehr rasche und eine recht komplexe, ja sogar eine ganz willkürliche Azimutprogrammierung, d.h. Strahlsteuerung vorgenommen werden. Die Ausführung nach den Figuren 1 und 2 hat den Vorteil einer recht einfachen Elektronik undjdaß die Periode ziemlich lang ist; diese Ausführung wird mit Vorteil angewendet, wenn die Azimutabtastung ein festes ♦ Programm hat, oder etwa einen sinusmäßigen Zeitverlauf aufweist. Der Mechanismus in Fig. 2 bewirkt einen harmonischen Bewegungsablauf der beweglichen Teile und ein entsprechendes Programm der Azimutabtastung.

Die Konstruktion der mäanderförmigen Wellenleiter ist nicht auf die in den Figuren 1 und 4- dargestellte Form beschränkt; es können verschiedene Konstruktionen mit mehr oder weniger langen Zwischenstücken zwischen den parallel übereinanderliegenden Teilen verwendet werden.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise von linearen Strahleranordnungen, wie sie bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen Verwendung finden, sei noch folgendes hinzugefügt:

Die aus einer linearen Strahlertanordnung austretende Wellenfront ändert nur dann ihre Sichtung, wenn ein· Änderung der Phasenverteilung der Energie entlang der Apertur der Strahleltanordnung erfolgt. Das gilt für jede Art der elektronischen Strahlschwtfnkungj

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verschiedenen Methoden unterscheiden sich nur durch die Wahl der Mittel, mit denen eine Phasenänderung herbeigeführt wird. Die Auslegung der Strahleranordnung erfolgt Immer nach den gleichen Gesetzen, ganz gleich, ob die Änderung des Abstrahlwinkels in beiden Koordinaten durch Prequenzverschiebung für den Blevationswinkel oder durch mechanisch bewirkte Phaaenänderungen in Azimutrichtung hervorgerufen wird. Es ist daher möglich, die Beziehung des Abstrahlwinkels zu anderen Systemparametern in einer relativ einfachen Formel darzustellen;

Dabei bedeutet "x" den Strahlwinkel gemessen in einer die Stre'aleraohse enthaltenden Ebene; es ist entweder der Winkel, den die Wellenfront mit der Achse der Strahleranordnung bildet, oder derjenige zwischen Strahlrichtung und der Normalen auf die Strahleranordnung. Das positive Vorzeichen wird Winkeln zugeordnet, die zwischen der Normalen und dem Endabsciiluß der Strahleranordnung liegen, das negative Vorzeichen solcnen zwischen der Normalen und dem Eingang der Strahleranordnung.

Ss bedeutet weiterhin "d" den Abstand zwischen benachbarten Strahlern, entlang der Achse der Strahl er anordnung. Für den Wert ^wd^w gibt es - außer den rein mechanischen - einige Einschränkungen, die davon abhängen, ob überhaupt, und wenn ja, in welchem Maße NebeiSlpfel zugelassen sind. Wenn Nebenzipfel vermieden werden müssen, muß ^wd" der folgenden Ungleichung genügen:

( 2 ) ·, wobei

λ min die kürzeste Wellenlänge und *_max äen maximalen SohwerLte·»- winkel bedeutet.

Es bedeutet, in Gleichung (1) ferner "s" den Abstand benachbarter

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Strahler gemessen entlang der Mittellinie des "Wellenleiters; "c" ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft, "a" die Wellenleiterweite, "£" die Frequenz (in Hz) und/Hy* ist die Phasenverschiebung (im Bogenmaß), die zwischen benachbarten Strahlern durch andere Faktoren als durch die Länge des sie verbindenden Wellenleiterstückes eingeführt wird. Dieser Wert schließt auch diskrete Phasendrehglieder ein, sowie andere Fhasendrehmittel, z.B. umgekehrte Strahler. Sine DipolumkehrungiiMrhwmnoi oder die Umkehrung der Schlitzneigung beispielsweise bedingen ο λ ei^e Phasenumkehr von 180° bzw. tj im Bogenmaß gemessen.

Der Wert "n" in Gleichung (1) ist dlmensionslosf nämlich eine positive ganze Zahl, die die Anzaal der 7/ellenlängen zwischen aufeinanderfolgenden Strahlern im Wellenleiter angibt. Zwischen den Werten ^ttn" und ^Md" besteht eine gewisse Verbindung; wenn nämlich "d" der .Ungleichung (2) gehorcht, so existiert: nur ein Wert für "n", der reale Wert für sin χ zur Folge hat (zwischen + 1 und - 1). Pur eine Anordnung, hei der Nebenzipfel zugelassen sind, geben die Werte "n", die reale Werte Tür sin χ zur Folge haben, die Anzahl und die Eichtungen aller Hebenzipfel an.

Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Werte der einzelnen Parameter für die beiden Ausführungsbeispiele bei der Diagrammschwenkung in Azimutrichtung; die Werte der Parameter bei der Diagrammschwenkung in Elevationsrichtung sind für beide Ausführungsbeispie'le die gleichen. Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Abstrahlwinkel in einer Ebene gemessen wird, die die Achse der Strahleranordnung enthält.

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BAD ORIGINAL

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ISE/Reg. 3697

Elevation Az (Fig.2) Az (Fig. 4)

s (mm) 29,65 22,63 27,05

d (mm)	22	)	,09	22	,63	27,05
a (mm)	21		,60	31,74	χ 18,36	20,84
f (MHz)	8975	- 9190	8975 ■	- 9190	8975 - 9190
/ty (Bog.				TC + ( -1,112 bis+ 1,143)
η	Z		O	O

Die Oberfläche der Strahleranordnung wird zweckmäßigerweise durch eine Abdeckung gegen das Bindringen von Staub und Feuchtigkeit durch die Schlitzstrahler hindurch in das Innere der Wellenleiter geschützt, beispielsweise duroh Bedecken der die Strahler enthaltendetiFläche mit einer Plastikfolie_β

Die Strahler selbst sind wie üblich als Schlitze ausgebildet; wenn zirkulär polarisierte Wellen ausgestrahlt werden sollen, sind es Kreuzschlitze j als Strahler können Jedoch auch in bekannter Weise Dipole verwendet werden.

Die Wellenleiter sind vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet; andere Ausführungsformen, z.B. spiralförmige sind denkbar, wenn nur der Abstand der Einzelstrahler gewährleistet werden kann.

Die Methode zur Erzeugung der variablen Frequenz ist hier auf die in der Praxis erforderliche hohe Genauigkeit zugeschnitten. Andere bekannte Methoden können jedoch ebenso angewendet werden.

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Kt z/H

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6 Patentansprüche
4 Bl,Zeichnungen, 4 Fig.

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Claims (6)

15912H - 17 ISE/Reg. 5697 Patentansprüche

1. Antennensystem für ein Anflug-Radargerät zur Erzeugung eines scharf gebündelten Strahles und zur Strahlschwenkung mittels Frequenz- und Phasenvariation der Speiseenergie, dadurch gekennzeichnet _t daß zur Strahlschwenkung sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung eine Anzahl von an sich bekannten mäanderförmigen Wellenleitern mit einer Mehrzahl von Schlitzstrahlern (z.B. 108, 109, 110, 111; Fig. 1 ~ 410, 411, 412, 415; Fig« 4) in jeweils untereinander entsprechenden Wänden der Wellenleiter nebeneinander zu einer Einheit zusammengebaut ist (Fig. 1 und 4), so daß diese Wände eine ebene Fläche mit Strahlerzeilen und Strahlerspalten bilden, daß jeder mäanderförmige Wellenleiter mittels einer Speiseleitung (z.B. 115/114; Fig. 1 - 406, 407; Fig. 4) mit Bnergie progressiv veränderlicher Phase gespeist wird, die aus einem als Phasenschieber wirkenden Leitungsabschnitt (Wellenleiterkammer 209>j{Fig· 2) bew. mehreren als Phasenschieber wirkenden Leitungsabschnitten (404, 405; Fig. 4) ausgekoppelt wird, der bzw. die aus einer Haupt-Speiseleitung (Eingang 210; Fig. 2 - Speiseleitung 401; Fig. 4) gespeist wird bzw. werden, in die Energie periodisch variabler Frequenz unmittelbar eingekoppelt wird.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensteuerung in dem als Phasenschieber wirkenden Leitungsabschnitt (Fig. 2) mittels einer Mechanik (Fig. 2) erfolgt, durch die ein bewegliches Bauteil (205) periodisch auf- und abbewegt wird, wodurch der Querschnitt des Leitungsabsohnittes (Wellenleiterkammer 209) periodisch verändert wird und daß die genannte Mechanik über eine Kurbel mittels eines Motors in !Tätigkeit gesetzt wird.

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IBB/Eeg. 3697

3. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensteuerung in den als Phasenschieber wirkenden Leitungsabschnitten (404, 405} Fig· 4) durch Ferrit-Phasenschieber erfolgt, die mit digitalen Signalen aus einem Programmgeber (419j Pig. 4) gesteuert werden.

4. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Phasenschieber wirkenden Leitungsabschnitte ('ATellenleiterkammer 209» Fig. 2 - 402_s 403, Fig. 4) am entgegengesetzten Ende ihrer Anapeisung mit Energie variabler Frequenz in an sich befcaeuter W'.ise mit Lastwiderständen abgeschlossen sind·

5. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß »er Abstand (d) benachbarter Schlitzstrahler in den Wänden der eiazelnen mäanderförmigen Wellenleiter nach Maßgabe der zugelassenen Nebenzipfe^ des Strahlungsdiagr^-mmes gewählt sind.

6. Intern .^jtw,>~ ^ "?·, Λ. Jr -, ■-'» · ' ^ %,k gekennzeichnet, daß der ai3«i"i#' > «eoic C ^J >euaoiiba^tet' Jchlitzs tr ahler durch die Ungleich'ine ö _% ρ- bectimmt wird, wobei α

kleinste benutzte Wellenlänge und ^L_8x äen größten Schwenkwinkel bedeutet.

009851/0633 BAD ORIGINAL

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