Schaltungsanordnung zur Regelung der Amplitude eines hochfrequenten Signals und Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Monopuls-Radargerät
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Amplitude eines hochfrequenten Signals und die Verwendung der Schaltungsanordnung in einem Monopuls-Radargerät zur Regelung der Amplitude des Pilotsignals in Abhängigkeit von der Amplitude des Echosignals im Summekanal.
Die Regelung der Amplitude von Signalen ist meistens eine Abschwächung des Signals durch Dämpfung im Verstärkungsweg, Veränderungen des Verstärkungsgrades oder durch Spannungsteilung.
Die steuerbare Dämpfung ist gut bekannt. Dabei wird einer Diode in einem Verstärkerkreis ein Regelstrom aufgeprägt, wodurch die Diode als stromabhängige Dämpfung des Kreises wirkt. Versuche damit zeigten, dass der Steuerbereich für viele Ansprüche zu klein ist und dass ausserdem bei starker Dämpfung ein Rauschen entsteht.
Ein steuerbarer kapazitiver Spannungsteiler mit einer festen Kapazität und einer spannungsgesteuerten Kapazitätsdiode wäre an sich ebenfalls denkbar.
Diese Anordnung zeigt gegenüber der vorgenannten Dämpfung eine vernachlässigbar kleine Rauschspannung. An der nichtlinearen Kennlinie der Kapazitätsdiode entstehen jedoch Oberwellen. Die Spannungsteilung muss, um einen grösseren Regelbereich zu umfassen, in mehreren Stufen vorgenommen werden, wodurch infolge der Leitungsinduktivitäten in den Kapazitätsdioden das Verhältnis der Oberwellen zur Grundwelle angehoben wird.
Die Erfindung gestattet, bei einer eingangs erwähnten Schaltungsanordnung eine steuerbare Spannungsteilerkette zu bauen, die einen geringen Klirrfaktor bei sehr geringem Rauschen aufweist. Dies wird erreicht durch ein zwischen Trennkondensatoren liegendes Tiefpassfilter, das aus wenigstens einem LC-Glied mit als Kapazität wirkender, gegen Masse geschalteter spannungsgesteuerter Diode besteht, und dem die Regelspannung über eine Entkopplungsdrossel einem Anschlusspunkt der Tiefpassinduktivität zugeführt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 das Schaltungsschema eines Spannungsteilers und Fig. 2 das Blockschema eines Monopuls-Radargerätes.
Der Spannungsteiler in Fig. 1 zeigt ein Tiefpasskettenfilter mit drei hintereinandergeschalteten Serieschwingkreisen mit den drei Induktivitäten L1, L2, L3 und den drei Kapazitätsdioden D1, D2, D3.
Zwischen dem Eingang E und Masse wird die zu regelnde hochfrequente Spannung angelegt. Zwischen dem Ausgang A und Masse kann die geregelte hochfrequente Spannung ausgekoppelt werden. Zwischen den Eingang E bzw. den Ausgang A und das Tiefpasskettenfilter sind Trennkondensatoren C1 bzw. C2 eingeschaltet. Die Einspeisung der Regelspannung erfolgt am Eingang R über eine Entkopplungsdrossel L4 auf den gemeinsamen Anschlusspunkt der Tiefpassinduktivität L3, des Trennkondensators C2 und der Kapazitätsdiode D3.
Die Induktivitäten L1, L2 und L3 bilden zusammen mit den dazugehörigen Kapazitätsdioden D1, D2 und D3 drei gleichdimensionierte Serieschwingkreise. Die Form von Tiefpassfiltern ist notwendig, um die an den stark gekrümmten Kennlinien der Kapazitätsdioden entstehenden Oberwellen auszufiltern.
Bekanntlich ist der Kapazitätswert der Kapazitätsdioden von der Höhe einer in Sperrichtung angelegten Gleichspannung U abhängig. Die Kapazitäts änderung erfolgt nach dem Gesetz
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Durch die Einwirkung einer positiven Gleichspannung an der Kathode der Kapazitätsdiode kann deren Kapazität in einem begrenzten Bereich ver ändert werden. Wird nun an den Eingang R eine Regelgleichspannung gegen Masse angelegt, so wird die Kapazität der Kapazitätsdioden D1, D2 und D3 entsprechend dem genannten Gesetz verändert. Dies bewirkt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz der einzelnen Tiefpassfilter und damit eine Dämpfung der hochfrequenten Spannung.
Bei der Dimensionierung ist darauf zu achten, dass die Serieschwingkreise für die Frequenz der hochfrequenten Spannung bei kleinster Kapazität der WapazXtätsdioden immer induktiv wirken. Der Teilungsfaktor dieses Spannungsteilers ist von dem Typ der Kapazitätsdioden und von der Anzahl der hintereinandergeschalteten Stufen abhängig.
Am Ausgang A kann unter diesen Bedingungen eine sinusförmige hochfrequente Spannung ausgekoppelt werden, deren Amplitude nach Massgabe der Regelspannung am Eingang R einstellbar ist.
Diese Schaltungsanordnung weist neben den genannten Vorteilen noch den weiteren Vorteil auf, dass die Zeitkonstante des Regelvorganges sehr klein ist. Damit kann diese Regelung in einem Monopuls Radar zur Regelung des Pilotsignals in Abhängigkeit von der Amplitude des Echosignals im Summekanal verwendet werden.
Bekanntlich müssen in einem Monopuls-Radar die beiden Differenzkanäle und der Summekanal jederzeit die gleiche Verstärkung aufweisen, damit die Ablage des Zieles genau erfassbar ist. Dies wird dadurch erreicht, dass während des Totbereiches des Radargerätes ein Pilotsignal in die drei Zwischenfrequenz-Verstärker eingespiesen wird. Die verstärkten Pilotsignale werden über je eine Torschaltung und einen Regelverstärker als Regelsignal den Zwischenfrequenzverstärkern wieder zugeführt. Diese letzteren werden damit auf gleiche Amplitude des Ausgangssignals geregelt.
Zugleich mit dieser Verstärkungsregelung wird in bekannten Ausführungen von Monopuls-Radargeräten das Ausgangssignal des Summekanals auf einen konstanten Sollwert geregelt. Dies wird erreicht, indem die Amplitude des Pilotsignals vor dem Einspeisen in die Verstärkerkanäle auf die Amplitude des Echosignals in der gerade abgeschlossenen Sendeperiode geregelt wird.
Diese Regelung kann auf verschiedene Arten vorgenommen werden. Vielfach wird der Oszillator für das Pilotsignal nur während des Totbereiches eingeschaltet und direkt dessen Ausgangssignal geregelt. Technisch ist es schwierig, den Oszillator während jeder Sendeperiode einzuschalten und zugleich dessen Spannung zu regeln. Daher ist man dazu übergegangen, den Oszillator immer eingeschaltet zu lassen und die Spannung des Pilotsignals in einem Ab schwächer gemäss der Echoamplitude zu regeln. Das Pilotsignal darf nur während einer kurzen Zeitdauer gerade vor der Auslösung des Sendeimpulses wirken. Ein Abschwächer muss somit derart gebaut sein, dass die Ausgangsspannung während des Empfangs praktisch Null ist und nur während des Totbereiches zur Wirkung kommt.
Das in Fig. 2 dargestellte Blockschema eines Monopuls-Radargerätes besteht aus einem Sender 1, der von einer Impulszentrale 2 gesteuert wird. Über ein Summe-Differenz-Netzwerk 3 werden die vier Strahler 4 gespiesen. Die an einem Gegenstand reflektierten Impulse werden von den Strahlern 4 in das Summe-Differenz-Netzwerk 3 geführt und von dort in die zwei Mischstufen 7 und 8 der Differenzkanäle sowie in die Mischstufe 6 des Summekanals. In diese drei Mischstufen werden auch die Schwingungen des Lokaloszillators 5 eingespiesen. Das Signal im Summekanal wird über die Mischstufe 6 und den Pilotsignal-Koppler 9 auf den Zwischenfrequenz-Verstärker 12 und nach erfolgter Demodulation weiter auf das Anzeigegerät 20 geführt.
Die beiden Differenzkanäle werden mit den Spannungsdifferenzen des Echosignals sowie mit der Oszillatorschwingung des Lokaloszillators 5 gespiesen. Diese Schwingungen werden über die Mischstufen 7, 8, die Pilotsignalkoppier 10, 11 sowie die Zwischenfrequenz-Verstärker 13, 14 auf die Nachlaufverstärker 18, 19 geleitet ? von wo aus die Nachlaufmotoren für Azimut und Elevation sowie die Anzeigegeräte und Rechner gespiesen werden.
Die drei Zwischenfrequenz-Verstärker 12, 13 und 14 enthalten Mittel zur Demodulation des Echosignals sowie Mittel für die Verstärkungsregulierung.
Ein Teil der Ausgangssignale der drei Zwischenfrequenz-Verstärker wird abgezweigt und je auf eine Pilotsignal-Torstufe 15, 16 bzw. 17 geführt.
Diese Stufen enthalten neben einem Tor noch die Regelverstärker. Die aus diesen Pilotsignal-Torstufen 15, 16 und 17 kommenden Regelsignale werden auf die Regelglieder in den Zwischenfrequenz-Verstärkern 12, 13 und 14 geführt.
Vom Zwischenfrequenz-Verstärker 12 des Summekanals wird ein Distanztor 21 gespiesen, das den Torimpuls ebenfalls aus der Impulszentrale 2 erhält. Das Echosignal wird einem Boxcar 22 zugeführt und weiter über eine Pilotsignal-Torstufe 23 einem Abschwächer 24 zur Regelung der Amplitude des Pilotsignals aus dem Pilotsignal-Generator 25.
Die vier Pilotsignal-Torstufen 15, 16 17 und 23 sowie das Distanztor 21 werden aus der Impulszentrale 2 gesteuert. Die Arbeitsweise eines derartigen Monopuls-Radars muss an dieser Stelle nicht näher erläutert werden, da sie jedem Fachmann geläufig und beispielsweise in ähnlicher Form im amerikanischen Patent Nr. 2759 154 beschrieben ist.
Die Anschlüsse des Abschwächers in Fig. 2 sind gleich bezeichnet wie diejenigen des Spannungsteilers in Fig. 1. Der Eingang E wird vom Pilotsignal Oszillator 25 und der Eingang R von der Pilotsignal Torstufe 23 gespiesen. Der Ausgang A führt auf die Pilotsignalkoppler 9, 10 und 11.
Bei einer Impulswiederholungsfrequenz von etwa 330 Hz wird der Monopuls-Radar bis zu einer Reichweite von etwa 50 km ausgenützt. Dies ergibt eine Totzeit von 670 its. Das Pilotsignal wird im allgemeinen etwa 60 us vor dem Sendeauslöseimpuls auf die Verstärker geleitet. Die Breite des Pilot signalimpuises beträgt 40 cts. Während diesen 40 pts müssen die Verstärkerregelkreise auf den neuen Verstärkungsgrad eingeschwungen sein; die Einschwingzeit beträgt etwa 20-25 us.
Diese Bedingung führt darauf hinaus, dass die Zeitdauer zu kurz ist, um den Pilotsignal-Oszillator während der Totzeit anschwingen zu lassen und dessen Ausgangsspannung zu regeln. Der Oszillator wird deshalb dauernd dauernd eingeschaltet gelassen und die Pilotsignalimpulse in Torstufen erzeugt.
Dies führt zu einer aufwendigen Schaltungsanordnung, indem bekanntlich Torstufen in Halbleitertechnik ohne besondere zusätzliche Schaltungen keine absolute Trennung des Ausganges vom Eingang zulassen. Mit dem vorgeschlagenen Spannungsteiler ist es möglich, das Ausgangssignal praktisch auf null Volt zu regeln und bei Bedarf ohne Zeitverlust auf die gewünschte Amplitude einzustellen.