Die Erfindung betrifft eine Reflektorantenne für ein Radar mit synthetischer Apertur (SAR).

Zukünftige sateliiten-gestützte Radarsysteme mit Apertur-Synthese sollen auf digitale Strahlformungstechniken zurück greifen. Hierbei werden Teile der analogen Empfangshardware durch digitale Komponenten ersetzt, was die Flexibilität solcher Systeme erhöht. Ziel ist es Radarbilder mit einem großen Aufnahmebereich (d.h. einer großen Streifenbreite) und gleichzeitig hoher Auflösung zu gewinnen. Aufgrund der begrenzten Sendeleistung werden Antennen mit großer Aperturfiäche benötigt, die in der Lage sind, die Antennenkeule über einen großen Winkelbereich elektronisch zu steuern. Als innovatives Konzept erweisen sich parabolische Reflektorantennen in Kombination mit insbesondere digitalen Speise-Arrays. Die Anzahl der Antennenelemente und die Größe des Speise-Arrays richten sich nach der Streifenbreite, bzw. nach der Auflösung, die erzielt werden soll. Die Elemente werden dabei in der fokalen Ebene des Reflektors platziert. Ein solches SAR-System ist z.B. in US 6 175 326 Bl oder US-A- 2007/0194977 beschrieben.

Eine inhärente Problematik solcher Antennen-Konzepte ist, dass jedes Anten- nenelement des Speise-Arrays nur einen kleinen Winkelbereich "sieht" (beleuchtet). Da sich die "Sichtbereiche" der einzelnen Antennenelemente des Speise-Arrays kaum überlappen, ergibt sich im Falle eines Speise-Element- Ausfalls ein "blinder" Bereich. Reflektorantennen werden typischerweise in den Bauformen als Paraboloid, als parabolischer Zylinder oder als Winkelreflektor realisiert. Den Stand der Technik repräsentiert beispielsweise das satelliten-basierte Radarsystem SAR-Lupe. Hier werden parabolische Refiektorantennen mit nur einer Speise-Antenne im Fokus oder mehreren Speiseantennen in der Fokalebene (US 6 175 326 Bl) verwendet. Die Schwenkung der Antennen-Keule erfolgt mechanisch. Ein anderer Anwendungsbereich ist die Signalübertragung mittels Kommunikationssatelliten mit Reflektorantennen.

Parabolische Reflektorantennen mit fokussiertem Speise-Array, d.h. das Speise- Array befindet sich in der fokalen Ebene, sind bei einem Ausfall eines Speise- Array Elements "blind" in der jeweiligen Richtung. Diese inhärente Problematik kann nur durch redundante Auslegung des Speise-Arrays umgangen werden. Diese Option stellt für Satelliten-Radarsysteme eine starke Kostenerhöhung dar. Zudem produziert die redundante Elektronik Verluste, zum Beispiel durch zusätzlich benötigte Schalter. Desweiteren erhöht sich die Gesamtmasse des Radar Instruments. Eine weitere Möglichkeit nach dem aktuellen Stand der Technik ist der Einsatz von pianaren Array-Antennen (EP-B-1 241 487), und zwar unter anderem auch mit digitaler Strahlformung, wie es beschrieben ist in US-A-5, 059,966 und PATYUCHENKO, A.; et al.: Optimization Aspects of the Reflector Antenna for the Digital Beam-Forming SAR System. In: 8th European Conference on Synthetic Aperture Radar (EUSAR), 2010, S. 954-957. Nachteilig sind hier die große Masse der Antenne und daraus resultierend hohe Kosten für Bau und Transport des Satelliten ins All.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reflektorantenne für ein SAR-System zu schaffen, die robust gegen Ausfälle von Antennenelementen oder anderen Hardware- bzw. schaltungstechnischen Komponenten des Speise-Arrays ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Reflektorantenne für ein Radar mit synthetischer Apertur vorgeschlagen, die versehen ist mit

- einem Reflektor mit einer Reflektorfläche und einem Scheitelpunkt sowie einer sich von diesem aus erstreckenden optischen Achse und mehreren nebeneinander in einer Reihe angeordneten Antenneneiementen zum Aussenden von Radar-Sendesignalen und zum Empfangen von durch Reflektion an einer Oberfläche entstandenen Radar-Empfangssignaien.

Bei dieser Reflektorantenne ist erfindungsgemäß vorgesehen,

dass der Reflektor (20) als eindimensional defokussierter Reflektor (20) mit zwei Fokalebenen (40,42) ausgebildet ist,

dass die optische Achse mit der Durchdringungslinie zweier zueinander rechtwinkliger, gedachter Ebenen, nämlich einer ersten (X-)Ebene und einer zweiten (Y-)Ebene zusammenfällt,

dass der Reflektor in der ersten (X-)Ebene eine zu dieser sowie zur optischen Achse rechtwinklig verlaufende erste (X-)Fokalebene aufweist, dass der Reflektor in der zweiten (Y-)Ebene eine zu dieser sowie zur optischen Achse rechtwinklig verlaufende zweite (Y-)Fokalebene aufweist, dass die zweite (Y-) Fokalebene einen größeren Abstand vom Scheitelpunkt aufweist als die erste (X-)Fokalebene und

dass die Antennenelemente bei Betrachtung der ersten (X-)Ebene des Reflektors längs einer in der ersten (X-)Ebene verlaufenden (X-)Linie nebeneinander angeordnet sind,

wobei die (X-)Linie in Höhe der zweiten (Y-)Fokalebene verläuft.

Bei der erfindungsgemäßen Reflektorantenne wird ein Reflektor eingesetzt, der eindimensional defokussiert ist und zwei längs der optischen Achse voneinander beabstandete Fokalebenen aufweist und dessen Reflektorfläche daher von der idealen rotationssymmetrischen parabolischen Form abweicht, auf der die Reflektorantennen in den oben genannten Referenzen basieren. Dabei entsteht die erfindungsgemäße Reflektorfläche durch Rotation einer Parabel um eine Achse (nämlich die optische Achse des Reflektors), wobei jedoch die Öffnung der Parabel in Abhängigkeit von dem Rotationswinkel periodisch verändert wird. Hierdurch entsteht ein Reflektor, dessen Parabellinien bei Betrachtung längs zweier rechtwinklig zueinander stehender Schnittebenen durch den Reflektor unterschiedlich weit geöffnet sind. Hierdurch weist der Reflektor - bei Betrachtung in den beiden Schnittebenen - unterschiedlich weit vom Scheitelpunkt ent- fernt liegende Fokalebenen auf. Die nebeneinander angeordneten Antennenelemente sind dabei längs einer Linie angeordnet, die in Höhe einer der beiden Fokalebenen verläuft. Damit sind die Antennenelemente für reflektierte Strahlung innerhalb derjenigen Ebene, in der sich die Anordnungslinie der Anten- nenelemente erstreckt, gewünschtermaßen defokussiert, während sie in der dazu rechtwinklig verlaufenden anderen Ebene weiterhin stark fokussiert sind.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Schnittlinie der Reflektorfläche mit der ersten (Fokal-)Ebene eine erste Parabel beschreibt, die weniger weit geöffnet ist als eine zweite Parabel, die die Schnittlinie der Reflektorfläche mit der zweiten (Fokai-)Ebene beschreibt.

Ferner kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Antennenelemente zum Belichten eines streifenförmigen Belichtungsbereichs auf einer Oberfläche vorge- sehen sind, wobei die Längserstreckung des Belichtungsbereichs parallel zur Aufeinanderfolge der nebeneinander angeordneten Antennenelemente gerichtet ist bzw. die Längserstreckung des streifenförmigen Beiichtungsbereichs und die Aufeinanderfolge der nebeneinander angeordneten Antennenelemente innerhalb einer gemeinsamen, rechtwinklig zum streifenförmigen Belichtungsbereich ver- laufenden Ebene angeordnet sind.

Schließlich kann die Reflektorantenne nach der Erfindung noch um eine Vorrichtung zur digitalen Strahlformung ergänzt sein. Die Erfindung betrifft also einen neuen Typ von Reflektorantenne, mit der es erstmalig möglich äst, die Vorzüge planarer Gruppenantennen, nämlich die Erhaltung der Funktionsfähigkeit der Antenne bei Ausfall eines Antennenelements, mit den Vorteilen von Reflektorantennen, nämlich der Bereitstellung großer Aperturflächen, zu kombinieren. Solche Reflektorantennen können mit Hilfe leichter Materialien realisiert werden und eignen sich damit insbesondere für sateilitengetragene SAR-Systeme. Sollten allerdings bei Reflektorantennen das ein oder andere Speise-Array-Element ausfallen, so ist dies nachteilig, da der von der Reflektorantenne ausgeleuchtete Bereich Schattenbereiche, in denen keine Beleuchtung stattfindet, aufweist. Planare Gruppenantennen hingegen sind insoweit vorteilhaft, als dass der Ausfall eines einzelnen Antennenelements ebengerade keine nichtbeleuchteten Bereiche zur Folge hat. Wenn man nun beide Antennensysteme miteinander kombinieren kann, wie es nach der Erfin- dung vorgeschlagen wird, können die jeweiligen Vorzüge beider Antennensysteme übernommen werden. Hierdurch können die Kosten von beispielsweise satellitengetragenen SAR-Systemen signifikant gesenkt werden, da teure redundante Empfangselektronik vermieden werden kann. Anwendungsbereiche der erfindungsgemäßen Antenne sind beispielsweise Erdbeobachtungsmissionen mit SAR-Systemen bzw. alle Arten von Radarsystemen und Kommunikationssystemen, die nicht gewartet werden können. Dazu zählen in erster Linie sateliitengetragene Systeme. Weitere Anwendungsgebiete sind darüber hinaus militärische und zivile Bodenradare. Bodenradarsysteme können beispielsweise für die Luftraumüberwachung und für die Wetterbeobachtung eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei;

Fig. 1 schematisch ein beispielsweise satelliten-gestütztes SAR-System zur

Beleuchtung eines streifenförmigen Bereichs auf beispielsweise der Erdoberfläche, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Reflektors mit Antennenelement

(Speise-)Array,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Reflektor mit vor diesem angeordneten (Spei- se-)Array,

Fig. 4 eine Schnittansicht durch den Reflektor mit dem (Speise- )Array entlang der (X-)Ebene IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 eine Schnittansicht durch den Reflektor mit dem (Speise-)Array entlang der (Y-)Ebene V-V der Fig. 3,

Fig. 6 die Feidverteilung in der Ebene durch den oberen fokalen Punkt gemäß

Fig. 5 für den Reflektor mit zwei Foki, die Feidverteilung in der (einzigen) fokalen Ebene für einen konventionellen parabolischen Reflektor mit lediglich einem Fokus, Fig. 8 eine Schnittgrafik des Antennendiagramms als Funktion des Eleva- tionswinke!s für einen konventionellen parabolischen Reflektor mit lediglich einem einzigen Fokus und - in diesem Beispiel - elf Antennenelementen, wobei jedes Antennendiagramm zu einem anderen Antennenelement gehört,

Fig. 9 eine Schnittgrafik des Antennendiagramms als Funktion des Eleva- tionswinkels für einen Reflektor mit zwei Foki gemäß den Fign. 2 bis 5 und beispielhaft wiederum elf Antennenelementen, Fig. 10 eine Schnittgrafik des Antennendiagramms als Funktion des Eleva- tionswinkels für einen konventionellen parabolischen Reflektor mit lediglich einem Foki und wiederum beispielhaft elf Antennenelementen, wobei ein mittleres Antennenelement ausgefallen ist, und Fig. 11 eine Schnittgrafik des Antennendiagramms als Funktion des Eleva- tionswinkels für einen Reflektor mit zwei Foki gemäß den Fign. 2 bis 5 und beispielhaft wiederum elf Antennenelementen, wobei ein mittleres Antennenelement ausgefallen ist. Fig. 1 zeigt, wie beispielsweise durch ein von einem Satelliten getragenes SAR- System 10 einen streifenförmigen Bereich 12 auf der Erdoberfläche 14 ausleuchtet. Das SAR-System 10 weist ein Array 16 aus Antennenelementen 18 auf. Den Antennenelementen 18 zugeordnet ist ein Reflektor 20, der eine Ref- iektorfläche 22, eine optische Achse 24 und einen Scheitelpunkt 26 aufweist.

Eine perspektivische Ansicht sowie eine Draufsicht des Reflektors 20 mit dem An- tennenelement-Array 16 ist in Fig. 2 perspektivisch und in Fig. 3 in Draufsicht gezeigt. Unter Zugrundelegung des kartesischen Koordinatenkreuzes gemäß Fig. 2 erstreckt sich die optische Achse 24 in Z-Richtung und bildet die Durchdringungslinie 28 einer ersten sich in X-Achsenrichtung erstreckenden (X-)Ebene 30 mit einer sich in Y-Achsenrichtung erstreckenden zweiten (X-)Ebene 32. Die beiden Ebenen 30 und 32 stehen rechtwinklig zueinander. Zu erkennen ist, dass die Er- streckung 34 des eindimensionalen Antennenelement-Array 16 (siehe den Doppelpfeil in den Fign. 2 und 3) mit der X-Achsenerstreckung zusammenfällt.

Die Besonderheit des erfindungsgemäß verwendeten Reflektors 20 ist anhand der Schnittdarstellungen gemäß den Fign. 4 und 5 zu erkennen. Danach ist die Parabelform, die sich als in der (X-)Ebene 30 liegende Schnittlinie 36 der Fig. 4 bzw. als in der (Y-)Ebene 32 liegende Schnittlinie 38 der Fig. 5 darstellt, unterschiedlich weit geöffnet. Damit definiert der Reflektor 20 in der (X-)Ebene 30 eine erste (X-) Fokalebene 40, die näher zum Scheitelpunkt 26 des Reflektors 20 angeordnet ist als die zweite (Y-)Fokalebene 42, die sich in der (Y-)Ebene 32 bildet.

Im Folgenden sollen anhand des Ausführungsbeispiels die Vorteile des erfindungsgemäßen defokussierten Reflektors 20 dargestellt werden.

Nicht defokussierte parabolische Reflektoren werden geometrisch dadurch erzeugt, dass man eine Parabel um eine Achse rotiert (z.B. Z-Achse in Fign. 2,4 und 5). Eine Eigenschaft der Reflektorfläche 22 besteht darin, eine anti-parallel zur z-Achse einfallende ebene Welle im sogenannten fokalen Punkt, kurz Fokus, zu bündeln. Eine Möglichkeit der Defokussierung besteht darin, den Reflektor mit zwei fokalen Punkten (Fokalebenen 40,42) zu konstruieren. Der geometrische Ort der Reflektorfläche 22 kann in kartesischen Koordinaten mit der Gleichung 4F x 4F y

beschrieben werden. Hier sind F _x und F _y die fokalen Längen, wie in den Fign. 4 und 5 dargestellt. Platziert man das Antennenelement-Array in einem der beiden Foki (z.B. im oberen Fokus (siehe Fig. 5)), wird das gestreute Feld einer einfallenden ebene Weile nicht mehr in einer kleinen Umgebung um den fokalen Punkt konzentriert, sondern in einer Dimension (z.B. X-Dimension) über einen größeren Bereich verteilt, während das Feld in der orthogonalen Richtung (Y-Dimension) fokus- siert bleibt (siehe Fig. 6). Dies ist in den Fign. 6 und 7 durch die schwarzen Quadrate angedeutet, die die jeweilige Rückstrahlung empfangenden Antennenelemente 18 zeigen. Die zu Grunde liegende Idee besteht darin, den Antennen-Strahl nur in einer Dimension zu schwenken. Daher wird der Überlapp zwischen den einzelnen Antennendiagrammen auch nur in dieser Dimension be- nötigt. Dies wird anhand der Feldverteilungen in den Abbildungen in den Fign 6 und 7 deutlich. In Fig. 7 ist die Feldverteilung für einen X-Band Reflektor mit konventioneller parabolischer Reflektorfläche, d.h. mit nur einem Fokus, dargestellt. Der Reflektor hat einen Durchmesser von 7m mit einer fokalen Länge von F _x = F _y ~ 5m . Die dargestellte Feldebene ist die fokale Ebene z = 5m . Die Quad- rate repräsentieren die Elemente des Antennenelement-Arrays, wobei das schwarze Quadrat das beleuchtete Antennenelement symbolisiert. In Fig. 6 ist die Feldverteilung für einen Reflektor mit demselben Durchmesser aber mit zwei Foki ( F _x = 4,9m und F _y = 5.lm ) dargestellt. Die Feldebene befindet sich im oberen fokalen Punkt bei z = 5.1m . Hier wird deutlich, dass mehrere Antennenele- mente 18 des Arrays 16 gleichzeitig beleuchtet werden.

Die dazugehörigen Antennendiagramme für ein lineares Antennenelement-Array mit elf Elementen sind in Fig. 8 dargestellt, und zwar als Schnitt durch das Antennendiagramm als Funktion des Elevationswinkels bei Verwendung eines kon- ventionelien parabolischen Reflektor. Jedes Antennendiagramm gehört zu einem Antennenelement des Arrays. Hier wird offensichtlich, dass sich die einzelnen Diagramme nur schwach überlappen. Fällt eines der Antennenelemente aus, wird dieser Bereich nicht mehr ausreichend beleuchtet. In Fig. 8 sind die Antennendiagramme für den defokussierten Reflektor 20 gemäß den Fign. 2 bis 5 dargestellt. Jede Einzel Charakteristik hat zwar einen geringeren Gewinn; ein erhöhter Gewinn kann jedoch durch Strahiformung digital erzeugt werden (siehe die gestrichelte Kurve in Fig. 9). Hierzu ist eine Vorrichtung 44 zur digitalen Strahlformung vorgesehen. Der Vorteil dieses Antennen-Konzepts nach den Fign. 2 bis 5 besteht darin, dass bei einem Ausfall eines Antennenelements der betroffene Winkelbereich immer noch ausreichend durch Nachbarelemente beleuchtet wird. Dies ist anhand der Fign. 10 und 11 verdeutlicht. In Fig. 10 sind die Antennendiagramme eines konventionellen parabolischen Reflektors mit einer einzigen Fokaiebene gezeigt, wobei ein mittleres Antennenelement ausgefallen ist und sich damit in der Einhüllenden (siehe gestrichelte Linie) eine Einbuchtung ergibt. Fig. 11 zeigt, dass sich der Ausfall des mittleren Antennenelements bei Verwendung des erfindungsgemäßen Reflektors nicht nennenswert auf die Überlagerung (gestrichelte Linie) der Antennendiagramme auswirkt, da nämlich auf Grund der gezielten Defokussierung die zum ausgefallenen Antennenelement benachbarten Antennenelemente Strahlung empfangen.

Das erfindungsgemäße Antennen-Konzept kann im Prinzip überall dort einge- setzt werden, wo eine hohe Zuverlässigkeit für das Gesamtsystem verlangt wird. Das betrifft vorwiegend Antennen-Systeme die nicht gewartet werden können, wie zum Beispiel von Satelliten getragenen Antennen.

Mit dem zuvor beschriebenen Reflektorkonzept lässt sich eine Lösung des Re- dundanz-Problems, und zwar durch eine gezielte Defokussierung, angeben. Hierzu wurde die dreidimensionale Feldverteiiung, die sich aus der Streuung einer ebenen Welle mit dem Reflektor ergibt, im Bereich der fokalen Ebene simuliert. Durch Variation der Reflektorform lässt sich eine Verteilung des elektromagnetischen Feldes über einen größeren Bereich erzielen (siehe den Bereich 46 in Fig. 6 gegenüber dem Bereich 48 in Fig, 7). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass mehrere Elemente des Anten neneiement-Arrays, angedeutet durch die schwarzen Quadrate in Fig, 6, einen Teil der Feldenergie aufnehmen. Umgekehrt kann man aus Reziprozitätsgründen daraus ableiten, dass die elekt- romagnetische Leistung über einen breiteren Winkelbereich abgestrahlt wird (Fig. 9). Dies hat zur Folge, dass benachbarte Elemente des Antennenelement- Arrays einen stärker überlappenden Winkelbereich befeuchten. Bei einem Ausfall eines Elements ist damit gewährleistet, dass dieser Winkelbereich immer noch "sichtbar" bleibt.

Die Erfindung entfaltet ihr volles Potential in Verbindung mit digitaler Strahlformung. Bei Anwendungen wie der satelliten-gestützten Kommunikation wird generell eine Defokussierung des Reflektors vermieden, weil damit ein Verlust an Antennengewinn einhergeht. Bei solchen Anwendungen wird versucht, den Antennenstrah! so zu optimieren, dass beispielsweise ein Kontinent optimal ausgeleuchtet wird. Die Aufgabe besteht also darin, die Antennencharakteristik gleichzeitig für ein ganzes Kontinuum an Richtungen zu optimieren. Folglich wird jede Richtung mit einem niedrigen Gewinn beleuchtet. Im Gegensatz dazu soll bei synthetischen Apertur Radaren die Antennenkeule zu einem Zeitpunkt nur für eine Richtung optimiert werden. Im nächsten Zeitschritt kommt das Signal aus einer anderen Richtung und es wird ein neuer Antennenstrahl berechnet. Insofern stellt der Verlust an Gewinn eines einzelnen Antennenelements für die Anwendung im Bereich synthetischer Apertur- Radare kein Problem dar, weil für jede Richtung eine Antennenkeule mit hohem Gewinn digital synthetisiert wird.

Charakteristisch für die Neuheit der Erfindung ist die geometrische Form des Reflektors, die von den gängigen Reflektorformen abweicht.

BEZUGSZEICHEN LISTE

10 SAR- System

12 Belichtungsbereich

14 Erdoberfläche,

16 Antennenelement-Array

18 Antennenelemente

20 Reflektor

22 Reflektorfläche

24 optische Achse

26 Scheitelpunkt der Reflektorfläche

28 Durchdringungslinie der (X-) und (Y-)Ebenen

30 (X-)Ebene

32 (Y-)Ebene

34 Erstreckung der Aufeinanderfolge der Antenneneiemente

36 Schnittlinie des Reflektors mit der (X-)Ebene

38 Schnittlinie des Reflektors mit der (Y-)Ebene

40 (X-)Fokalebene

42 (Y-)Fokalebene

44 Vorrichtung zur digitalen Strahlformung

46 Bereich der Verteilung des elektromagnetischen Feldes

48 Bereich der Verteilung des elektromagnetischen Feldes