DE10012080C1

DE10012080C1 - Antennenarray und Verfahren zum Betrieb eines Antennenarrays

Info

Publication number: DE10012080C1
Application number: DE10012080A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ludwig Bloecher
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Patentportfolio 2 S A R L Lu
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: WO2001069798A3; EP1219035A2; US20020105462A1; WO2001069798A2; JP2003527030A; US6954176B2

Abstract

Um auf einfache Weise einen weiten Winkelbereich in Sektoren schaltbar mittels einer Antennenanordnung mit breiter Hauptkeule abzudecken, wird eine Anordnung von Antennenelementen so ausgeführt, daß die Elemente einzeln angesteuert werden können, so daß sie in Teilen gleichphasig und in Teilen gegenphasig zueinander betrieben werden. Um die Einfallsrichtung eines empfangenen Signals zu bestimmen, ist es möglich, die Anordnung mit unsymmetrischem Antennendiagramm zu betreiben oder aber durch die Ausnutzung eines zusätzlichen Empfangselementes die Gesamt-Charakteristik rechnerisch bezüglich ihrer Symmetrie zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein Antennenarray mit schaltbarer Weitwinkel-Charakteristik nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 7.

In der Kfz-Nahbereichssensorik, aber auch in der Mobilkommunikation, erwachsen zunehmend Forderungen nach der sektorenweisen Abdeckung großer Winkelbereiche. Die derzeit übliche Problemlösung besteht im Einsatz getrennter, die jeweiligen Sektoren bedienender Einzelantennen. Soll die Antennencharakteristik schaltbar und/oder adaptiv einstellbar sein bzw. kommen viele Einzelantennen u. a. aus Platz- oder ästhetischen Gründen nicht infrage, müssen Arrayantennen eingesetzt werden. Bei großen Hauptkeulenbreiten und großen Schwenkwinkeln ist, aufgrund stark ansteigender "Grating Lobes", der realisierbare Schwenkwinkel stark beschränkt.

Zur Lösung des Problems bietet sich aus dem Stand der Technik die Verwendung von konforme Arrayantennen an. Solche Antennen befinden sich jedoch teilweise im Forschungsstadium oder sind für Einsatz in der Serienproduktion noch zu teuer.

Aus der Druckschrift US 4 044 359 ist Vorrichtung bekannt, welche der Unterdrückung von Störsignalen dient. Hierbei wird durch gezielte Interaktion zweier Antennensysteme Richtungsinformation gewonnen, welche nachfolgend zur ver besserten Unterdrückung von Störsendern ausgenutzt wird. Der Schrift von Kuga et al. (Kuga, Nobuhiro et al., Beam- Switched planar array antenna for mobile communications, Electronics and Communications in Japan, Part 1, Vol. 81, No. 3, 1998, pp 57-63) wird eine Antennenanordnung mit großer Winkelabdeckung beschrieben, bei welcher die einzel nen Winkelablagen durch eine geeignete Anordnung von Anten nengruppen beschrieben wird, welche schaltbar jeweils zwei sich um 180° gedrehte Antennencharakteristiken aufweisen. Beispielhaft werden hierbei zwei, im rechten Winkel zu einander angeordnete Antennengruppen aufgezeigt, mittels welchen in vier Abschnitten ein Winkelbereich von 360° abgedeckt wird.

Die Auslegeschrift DE 27 09 758 B2 zeigt eine kreisförmig angeordnete Strahlergruppe zur Azimutrichtungsfindung. Da bei werden stets mehrere, auf einem Kreissektor liegende Antennen zu einer Strahleruntergruppe zusammengefaßt und über ein Leitungsmatrix-Netzwerk erregt. Diese einzelnen Strahleruntergruppen werden im Sinne einer Monopuls-Anten ne, welche ein Summendiagramm und ein einziges Differenz diagramm verfügt, betrieben. Die hohe Winkelauflösung der Antennenanordnung wird hierbei durch geeignete Anordnung (hier kreisförmig, zur Winkelabdeckung von 360°) der ein zelnen Strahleruntergruppen und durch den Vergleich der jeweiligen Empfangssignale miteinander, erreicht.

In der Literatur zeigt Skolnik (Skolnik, M., Radar Hand book, 2^nd ed., McGraw-Hill Inc., New York) zeigt unter schiedlichste Antennenarrays auf, welche zum Betrieb als Monopuls-Antenne geeignet sind (hier besonders: p. 6.24, Tabelle 6.1). Es wird hierbei jedoch gemäß Fig. 6.19 (p. 6.23) davon ausgegangen, dass die Antennenarrays eine Summen und eine einzige Differenzcharakteristik verfügen. Besonderes Augenmerk wird auf das bezüglich der Richtwir kung der Antennencharakteristik bestehende Problem gelenkt, welches darin begründet liegt, dass bei der Dimensionierung der Antenne ein Kompromiß zwischen der Effizienz der Sum mencharakteristik der Antenne und der Differenzcharakteri stik der Antenne gefunden werden muß.

Der Konferenzbeitrag von Hannan (Hannan, P., Loth, P., A Monopulse Antenna Having independent optimazation fo the sum and difference modes, IRE int. Conv. Rec., pt. 1, March 1961) befaßt sich mit dem Problem der Findung eines optimalen Kompromisses in Bezug auf die Effizienz von Summen- und Differenzcharakteristik des Antennendiagramms. Hierzu wird ein Antennenarray be schrieben, welches aus Einzelantennen besteht, die durch die Kopplung mit einem aus Hybriden bestehenden Netzwerk über eine feste Phasenbeziehung miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Winkelbereich der Strahlungskeulen der Differenzcharakteristik effizient eingeengt wird.

Die in der Literatur aufgezeigten Ansteurerungsformen gehen dabei immer davon aus, dass genau zwei Gruppen von Anten nenelementen neben einander angeordnet werden und gegen phasig zueinander angeordnet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Verfahren und eine hierfür geeignete Vorrichtung zu finden, die es erlaubt mit herkömmlichen Hochfrequenz- und Antennenelementen einen großen Winkelbereich sektorenweise abzudecken.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 oder 7 gelöst. Dabei werden Antennenelemente betrieben, wobei die einzelnen Elemente individuell ansprechbar sind und entweder gleichphasig oder gegenphasig in bezug zueinander angesteuert werden können.

Ausgehend von einer gleichabständigen Anordnung von 4 Antennenelementen soll die Erfindung nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 die simulierten Antennendiagramme in Abhängigkeit unterschiedlicher Ansteuerung der Antennenelemente,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Selbstredend ist die Erfindung nicht auf die Anordnung und Ansteuerung von genau 4 Antennenelementen beschränkt, sondern kann bedarfsgerecht auf eine andere Zahl von Elementen ausgeweitet werden.

Bei den nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispielen wird von einer gleichabständigen Anordnung von 4 Antennenelementen ausgegangen. Um die gleichphasige bzw. gegenphasige Ansteuerung der Elemente darzustellen, werden nachfolgend die Symbole '+' und '-' verwandt, dabei werden die Elemente, denen das selbe Symbol zugeordnet wurde, gleichphasig zueinander und gleichzeitig um 180° phasenverschoben gegenphasig zu den anderen Antennenelementen betrieben.

Fig. 1 zeigt die Antennendiagramme bezüglich drei unterschiedlicher Ansteuerungen der Antennenelemente. Dabei handelt es sich um eine Anordnung von Mikrostreifenleitungen, die in 4 Zeilen angebracht und mit dem 0.54-fachen der Wellenlänge der Betriebsfrequenz beabstandet sind. Durch konstruktive Maßnahmen wurden die Nebenzipfel der Antennenanordnung um 8 dB unterdrückt (Tapering: Cos on Pedestal).

Für den Fall der gleichphasigen Ansteuerung aller Elemente (++++) wird ein Antennendiagramm mit einer Broadside-Hauptkeule 1 erzeugt. Ein anderes Antennendiagramm 2 wird durch eine wechselnde gleich-/gegenphasige Ansteuerung der Elemente (++--) erzeugt. Dieses Diagramm 2 weist zwei gleiche Hauptkeulen, welche um ±30° von der Hauptstrahlrichtung der Broadside-Hauptkeule 1 abgelenkt sind. Durch alternierende gleich-/gegenphasige Ansteuerung der Elemente (+-+-) wird ein Diagramm 3 mit zwei gleichen Hauptkeulen welche um ±60° von der Hauptstrahlrichtung der Broadside-Hauptkeule 1 abgelenkt sind erzeugt.

Aus dieser Variabilität der Ausrichtung der Antennenhauptkeulen resultiert eine Abdeckung eines Winkelbereichs von ca. -70° bis +70° in einer Raumebene, bei der Verwendung von Antennenelementen mit Hauptkeulenbreiten (broadside) von ca. 30°. Der gesamte Winkelbereich läßt sich dabei in 5 schaltbare Sektoren unterteilen. In vorteilhafter Weise läßt sich dieses Verhalten mittels der Anordnung eines planaren Arrays, welches aus 4 Antennenelementen besteht, welche in einer Reihe im Abstand von 0.54 λ (λ = Wellenlänge der ausgesandten Welle) zueinander angeordnet sind, realisieren. Die Antennenelemente können dabei Einzelstrahler oder auch Antennenzeilen sein.

Fig. 2 zeigt Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung besteht aus einem 3 dB-Hybrid-Viertor 4, zwei Leistungsteiler-Dreitoren 5, einem Umschalter 6 zur wechselweisen Verbindung der Ein- und Ausgänge der Antennenelemente 8 und 9, den Antennenelementen (Einzelstrahler oder Zeilen) 7 bis 10, sowie den Verbindungsleitungen zwischen den Komponenten. Die effektiven Leitungslängen zwischen den Antennenelementen 7 bis 10 und den Eingängen der Leistungsteiler-Dreitore 5 sind gleich lang, um den Einfluß des Umschalters 6 zu berücksichtigt. Die Eingänge des 3 dB-Hybrid-Viertors 4 sind mit den Leistungsteiler-Dreitoren 5 ohne und mit einer λ/4- Umwegleitung verbunden. Dadurch können an den Ausgängen des 3 dB-Hybrid-Viertor 4 Summe und Differenz der Eingangssignale abgegriffen werden. Dies entspricht einer Phasen-Monopuls-Schaltung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für den Sende- als auch für den Empfangsbetrieb benutzt werden. Die gleichphasige Ansteuerung (++++) der Antennenelemente 7 bis 10 ist dabei unabhängig von der Stellung des Umschalters. Die Kommunikation zwischen Sende-/Empfangs-Elektronik und, den Antennenelementen 7 bis 10 finden in diesem Fall über die Summenkanal 11 statt.

Die gleich-/gegenphasigen Ansteuerungen (++-- bzw. +-+-) der Antennenelemente 7 bis 10 wird hingegen durch den Umschalter 6 gesteuert. Die Kommunikation zwischen Sende-/Empfangs-Elektronik und den Antennenelementen 7 bis 10 findet für beide Fälle der gleich-/gegenphasigen Ansteuerung über den Differenzkanal 12 statt. Dabei entspricht die Stellung des Umschalters 6 in Position A in einem Ansteuerungsmuster (++--), welches in dem in Fig. 1 dargestellten Antennendiagramm 2 resultiert. Die Stellung des Umschalters 6 in Position B ergibt in folge das Ansteuerungsmuster (+-+-), welches Antennendiagramm 3 ergibt.

Eine Möglichkeit einer vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Fig. 3 offenbart. Die hier gezeigte Ausführung entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, mit dem Unterschied, daß hier der Zweifach-Umschalter 6 durch 2 3 dB-Hybride 13 und 14, zwei synchron betriebenen Schalter 15 und zwei Leitungsabschnitte 16 und 17 realisiert wurden. Die beiden Leitungsabschnitte 16 und 17 differieren in ihrer Länge dabei dergestalt, daß die Längendifferenz einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der die Vorrichtung durchlaufenden Welle entspricht. Die beiden 3 dB- Hybride 13 und 14 sind dabei in Reihe geschaltet, wobei ein Ausgang von 13 direkt mit einem Eingang von 14 gekoppelt ist, während die Ankopplung des anderen Ausgangs von 13 über die Schalter 15 und einen der beiden Leitungsabschnitte 16 oder 17 erfolgt.

Entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Beispiels, entspricht die Stellung des Umschalters 6 in Position A in einem Ansteuerungsmuster (++--), welches in dem in Fig. 1 dargestellten Antennendiagramm 2 resultiert. Die Stellung des Umschalters 6 in Position B, was in einem gegenüber Schalterstellung A um λ/2 längeren Leitungsweg resultiert (180° Phasenshift), ergibt in folge das Ansteuerungsmuster (+-+-), welches Antennendiagramm 3 ergibt. Der Umschalter 6 kann als einfacher Doppelschalter gemäß Fig. 3 ausgeführt werden, welcher es erlaubt, zwischen einer Leitung der Länge L und einer Leitung der Länge L + λ/2 umzuschalten (wobei λ der Hälfte der Betriebsfrequenz der Antennenanordnung entspricht). Anderseits ist es auch denkbar den Umschalter 6 mittels geschalteten eines 3 db-Hybriden zu realisieren.

Beim Betrieb einer Sende-/Empfangs-Anlage ist im allgemeinen die Bestimmung der Einfallsrichtung einer einfallenden Welle von Interesse, d. h. es ist festzustellen, in welche der Hauptkeulen der Antennenanordnung die Welle einfällt. Dies ist vor allem dann schwierig festzustellen, wenn wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die einzelnen Hauptkeulen der Antennenanordnung gleich ausgebildet sind. Um die Einfallsrichtung zu bestimmen, wäre es beispielsweise möglich, gemäß dem Phasen- Monopulsverfahren den Phasenwinkel des Ausgangs des Differenzkanal zu messen.

In vorteilhafter Weise läßt sich aber auch die Möglichkeit der individuellen Ansteuerung der erfindungsgemäßen Anordnung dahingehend ausnutzen, daß das Antennendiagramm durch eine unsymmetrische Ansteuerung, (beispielsweise: (+++-)) der Antennenelemente 7 bis 10 deformiert wird. Die Einfallsrichtung der empfangenen Welle kann dann durch einen Vergleich der Änderung des empfangenen Signals am Ausgang des Differenzkanals mit dem Signal, welches mittels des undeformierten Antennendiagramms empfangen wurde, bestimmt werden. Zur Erzeugung der unsymmetrische Ansteuerung, (beispielsweise: (+++-)), kann in vorteilhafterweise in die Zuleitung zu Antennenelement 9 eine zuschaltbare 180° Umwegeleitung eingebracht werden. Wird sodann diese Umwegeleitung zusammen mit der Ansteuerung gemäß Schalterstellung A angewandt, so ergibt sich das unsymmetrische Antennendiagramm.

Es ist andererseits jedoch auch denkbar, die erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu erweitern, daß ein einzelnes Antennenelement neben dem Antennenarray in geeignetem Abstand so angebracht wird, daß im rechnerischen Gesamtdiagramm der Antennenanordnung eine der zwei Hauptkeulen ganz oder teilweise unterdrückt wird. Aus einem Vergleich der Ausgangssignale der Vorrichtung ohne Berücksichtigung des zusätzlichen Antennenelements mit dem rechnerischen Ausgangssignals der Gesamtanordnung, läßt dann folgerichtig auf die Einfallsrichtung des Empfangssignals schließen.

Claims

1. Antennenarray aus Einzelantennen zur Erhöhung der Richtungsauflösung und Winkelab deckung, im Sinne einer Monopuls-Antenne, deren gemeinsame Antennencharakteristik über ein Summendiagramm und ein Differenzdiagramm verfügt,
wobei die Einzelantennen über ein Netzwerk von Phasenschiebern oder Hybriden miteinander verbunden sind,
und wobei das Antennenarray über einen Summeneingang zur Erregung der Einzelantennen verfügt, so dass die Antennencharakteristik ein Summendiagramm aufweist,
und wobei das Antennenarray über einen Differenzeingang zur Erregung der Einzelantennen verfügt, so dass die Antennencharakteristik ein Differenzdiagramm aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens einer der Phasenschieber oder Hybride des Netzwerkes schaltbar ist, so dass die Antennencharakteristik durch die resultierende Änderung des Phasenverlaufs bei der Ansteuerung der Einzelantennen weitere Differenzdiagramme aufweist.

2. Antennenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk, mittels welchem die Einzelantennen miteinander verbunden sind, aus einem 3 dB-Hybrid-Viertor (4), zwei Leistungsteiler-Dreitoren (5), einem Umschalter (6) zur wechselweisen Verbindung der Ein- und Ausgänge der Antennenelemente (8) und (9), den Antennenelementen (7) bis (10), sowie den Verbindungsleitungen zwischen den Komponenten besteht,
wobei die Leitungsfängen zwischen den Antennenelementen (7) bis (10) und den Eingängen der Leistungsteiler-Dreitore (5) gleich lang sind, um den Einfluß des Umschalters (6) zu berücksichtigt,
und wobei die Eingänge des 3 dB-Hybrid-Viertor (4) mit den Leistungsteiler Dreitore (5) ohne und mit einer λ/4-Umwegleitung verbunden sind.

3. Antennenarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zweifach-Umschalter (6) durch 2 3 dB-Hybride (13) und (14), zwei synchron betriebene Schalter (15) und zwei Leitungsabschnitte (16) und (17) realisiert ist,
wobei die beiden Leitungsabschnitte (16) und (17) in ihrer Länge dabei dergestalt differieren, daß die Längendifferenz einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der die Vorrichtung durchlaufenden Welle entspricht,
und wobei die beiden 3 dB-Hybride (13) und (14) in Reihe geschaltet sind, so dass ein Aus gang von (13) direkt mit einem Eingang von (14) gekoppelt ist, während die Ankopplung des anderen Ausgangs von (13) über die Schalter (15) und einen der beiden Leitungsabschnitte (16) oder (17) erfolgt.

4. Antennenarray nach einem, der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (6) als einfacher Doppelschalter ausgeführt ist, welcher es erlaubt, zwischen einer Leitung der Länge L und einer Leitung der Länge L + λ/2 umzuschalten.

5. Antennenarray nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschalter (6) mittels eines geschalteten 3 db-Hybriden realisiert ist.

6. Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Richtungsauflösung, insbesondere zur Beseitigung von Mehrdeutigkeiten bei der Richtungsbestimmung, das Antennenarray um ein zusätzliches separates Antennenelement ergänzt ist, und dass dieses Antennenelement in geeignetem Abstand so angebracht ist, daß im rechnerischen Gesamtdiagramm der Antennenanordnung eine der zwei Hauptkeulen ganz oder teilweise unterdrückt wird.

7. Verfahren zum Betrieb eines Antennenarrays aus Einzelantennen zur Erhöhung der Richtungsauflösung und Winkelabdeckung, im Sinne einer Monopuls-Antenne, deren gemeinsame Antennencharakteristik über ein Summendiagramm und ein Differenzdiagramm verfügt,
bei welchem die Einzelantennen über ein Netzwerk von Phasenschiebern oder Hybriden miteinander verbunden sind,
und bei welchem die Antennencharakteristik des Antennenarrays bei Erregung über einen Summeneingang ein Summendiagramm aufweist,
und bei welchem die Antennencharakteristik des Antennenarrays bei Erregung über einen Differenzeingang ein Differenzdiagramm aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens einer der Phasenschieber oder Hybride des Netzwerkes geschaltet wird, so dass die Antennencharakteristik durch die resultierende Änderung des Phasenverlaufs bei der Ansteuerung der Einzelantennen weitere Differenzdiagramme aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Einfallsrichtung eines empfangen Signals die Phasendifferenz zwischen Differenz- und Summenkanal gemäß dem Monopuls-Verfahren ausgewertet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Einfallsrichtung eines empfangen Signals die Antennenelemente unsymmetrisch angesteuert werden, so daß das Antennendiagramm deformiert wird, und das so empfangene Signal am Differenzkanal mit dem Signal verglichen wird, wie es am Summenkanal oder am Differenzkanal bei symmetrischen Antennendiagramm abgegriffen werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Einfallsrichtung eines empfangen Signals zusätzlich das Signal eines Antennenelementes herangezogen wird, welches im rechnerischen Gesamtdiagramm der Antennenanordnung eine der zwei Hauptkeulen ganz oder teilweise unterdrückt.