DE10127080C1 - Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls einer phasengesteuerten Gruppenantenne - Google Patents
Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-Empfangs-Moduls einer phasengesteuerten GruppenantenneInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines T/R-Moduls für eine Phased-Array-Antenne, mit folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A È Messung von Amplitude und Phase der Amplituden/Phasenzustände (a, i) mit i = i¶min¶...i¶max¶ eines einzelnen Amplitudenzustands a; sowie DOLLAR A È Messung von Amplitude und Phase der Amplituden/Phasen-Zustände (j, b) mit j = j¶min¶...j¶max¶ eines einzelnen Phasenzustands b; DOLLAR A È Rekonstruktion der Amplitden-Werte eines Amplitudenzustands x durch Verschieben der gemessenen Amplitudenwerte des Amplitudenzustands a um die Differenz DELTAA der gemessenen Amplitudenwerte der beiden Amplituden/Phasenzustände (x, b, (a, b), die innerhalb des Phasenzustands b gleichzeitig zum Amplitudenzustand x bzw. Amplitudenzustand a gehören; DOLLAR A È Rekonstruktion der Phasen-Werte eines Phasenzustands y durch Verschieben der gemessenen Phasenwerte des Phasenzustands b um die Differenz DELTAPHI der gemessenen Phasenwerte der beiden Amplituden/Phasenzustände (a, y), (a, b), die innerhalb des Amplitudenzustands a gleichzeitig zum Phasenzustand y bzw. zum Phasenzustand b gehören.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendia
gramms eines Sende-Empfangs-Moduls einer phasengesteuerten Gruppenantenne,
insbesondere einer aktiven phasengesteuerten Gruppenantenne.
Zukünftige aktive phasengesteuerte Gruppenantennen-Radar-Systeme benötigen
eine große Anzahl von Sende-Empfangs-Module auf niedrigem Kostenniveau. Diese
sind einstellbar in Amplitude und Phase (multi state device). Wird z. B. ein 6-Bit-
Phasenschieber und ein 6-Bit-Amplitudensteller eingesetzt, so ergeben sich 26 × 26 =
4096 verschiedene Amplituden/Phasen-Zustände des Sende-Empfangs-Moduls.
Das komplette Amplituden/Phasenverhalten eines Sende-Empfangs-Moduls wird üb
licherweise in einer sogenannten Gain/Phase-Map (deutsch: Amplituden/Phasen
diagramm) dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein solches Amplituden/Phasen
diagramm. Entlang der Abszisse ist die Phase, entlang der Ordinate die Amplitude
aufgetragen. Jeder einzelne Messpunkt innerhalb der 2-dimensionalen Amplitu
den/Phasen-Ebene stellt die gemessene Amplitude und Phase für einen bestimmten
Amplituden/Phasenzustand des Sende-Empfangs-Moduls dar.
Für die Steuerung der Sende-Empfangs-Module in aktiven phasengesteuerten
Gruppenantenne muss das komplette Amplituden/Phasen-Verhalten sowohl im
Empfangs- als auch im Sendemode für jedes Sende-Empfangs-Modul im vorgege
benen Frequenzbereich bekannt sein.
Aufgrund der für moderne Radarsysteme typischen hohen Zahl der zu integrieren
den Sende-Empfangs-Module (Bordradar: typischerweise 1000 Sende-Empfangs-
Module) mit jeweils 2n.2n verschiedenen Amplituden/Phasenzuständen ist eine kom
plette messtechnische Erfassung aller Amplituden/Phasen-Zustände jedes Sende-
Empfangs-Moduls zum einen unter dem Gesichtspunkt des enormen Datenvolu
mens und zum anderen unter Kostengesichtspunkten (sehr großer Zeitaufwand)
nicht mehr durchführbar.
In Wilden, H.: Microwave tests on prototype-T/R-modules, IEE Intern. Radarconfe
rence, Edinburgh, pp. 517-521, 1997 werden Einzelheiten zum erforderlichen Mes
sumfang beim Test der Sende/Empfangsmodule einer phasengesteuerten Gruppen
antenne offenbart.
Gemäß der DE 39 34 155 C2 wird mittels einer Empfangsantenne die von den Sen
de/Empfangselementen einer phasengesteuerte Gruppenantenne abgestrahlte Ge
samtenergie gemessen. Aus den Änderungen der Gesamtenergie wird, während die
Phase jedes Phasenschiebers der Gruppenantenne geändert wird, die Amplitude
jedes Sende/Empfangselements bestimmt.
In der JP 2000119773 A wird zur Ermittlung der Amplituden-Phasen-Verteilung einer
phasengesteuerten Gruppenantenne die Amplitude eines Strahlenbündels unter Va
riation der Phase gemessen. Die Ermittlung der Gesamtverteilung erfolgt dann mit
Hilfe der Umwandlung des Feldes und wiederholten Berechnung bis die Lösung
konvergiert.
Gemäß der JP 10132880 A wird zur Bestimmung der Phasenverteilung einer phasen
gesteuerten Gruppenantenne die Phase eines Sendeelements für jeden Winkel bei
einer festen Frequenz gemessen. Die Phase eines Elements wird dann für verschie
dene Frequenzen unter einem festen Winkel gemessen. Für die nicht gemessenen
Winkel bzw. Frequenzen wird die Phase dann basierend auf den Messungen er
rechnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Synthesealgorithmus zu entwickeln, der es er
möglicht, die Anzahl der Messpunkte auf einen Bruchteil zu reduzieren und das Ver
halten des kompletten Amplituden/Phasen-Verhaltens zu rekonstruieren.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Patentan
spruchs 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Zeitaufwand und folglich die Ko
sten für die Charakterisierung (Messdatenerfassung) der Sende-Empfangs-Module
auf einen Bruchteil reduziert werden.
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf Figuren nä
her erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für ein Amplituden/Phasendiagramm eines Sende-Empfangs-
Moduls;
Fig. 2 den Verlauf der Amplitudenwerte der einzelnen Amplitudenzustände über
den Phasenzuständen;
Fig. 3 den Verlauf der Phasenwerte der einzelnen Phasenzustände über den Am
plitudenzuständen;
Fig. 4 ein Amplituden/Phasendiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Synthesealgorithmus;
Fig. 5 mehrere Beispiele für die Segmentierung eines Amplituden/Phasendia
gramms;
Fig. 6 eine weiteres Beispiel für die Segmentierung eines Amplituden/Phasendia
gramms mit den tatsächlich gemessenen Zeilen und Spalten.
In Fig. 2 ist beispielhaft der typische Verlauf der gemessenen Amplitude in den ein
zelnen Amplitudenzuständen (zur Definition des Amplitudenzustands siehe unten
stehende Definition - die Amplituden desselben Amplitudenzustands sind durch Lini
en verbunden) über den Phasenzuständen dargestellt. Der Unterschied dieser Dar
stellung zu dem Amplituden/Phasen-Diagramm nach Fig. 1 ist, dass es sich in Fig. 1
sowohl bei Amplitude als auch bei der Phase um gemessene Werte handelt. In Fig.
2 dagegen sind nur die Amplitudenwerte durch Messung ermittelt, während man be
züglich der Messung der Phase von idealen Bauteilen ausgeht, d. h. die angegebe
nen Phasenwerte sind direkt aus dem Bitmuster des Phasenschiebers abgeleitet
(Phase = Sollgröße). Es ist aus Fig. 2 offensichtlich, dass die Kurven der einzelnen
Amplitudenzustände parallel zueinander verlaufen.
Gleichzeitig weist die gemessene Phase über den Amplitudenzuständen (Amplitu
de = Sollgröße) ein ähnliches Verhalten auf. Hierzu zeigt Fig. 3, normiert auf den Pha
senzustand 0, den Verlauf der gemessenen Phase in den einzelnen Phasenzustän
den (die Phasen desselben Phasenzustands sind durch Linien verbunden) über den
Amplitudenzuständen.
Es ist daher völlig ausreichend, im Amplituden/Phasen-Diagramm (Fig. 1) nur einen
Teil aller Amplituden/Phasen-Zustände, nämlich nur eine Zeile und eine Spalte (ent
sprechend einem Amplitudenzustand und einem Phasenzustand) nach Amplitude
und Phase zu vermessen und alle anderen Zustände zu rekonstruieren. Wie dieses
erfindungsgemäße Verfahren im einzelnen abläuft, wird im folgenden erläutert.
Annahme: Sende-Empfangs-Modul ist ein Multi-State Device mit 6 Bit Amplituden
steller und 6 Bit Phasenschieber, d. h. 26 × 26 = 4096 Amplituden/Phasen-
Zuständen.
Gemessen werden soll nur eine Zeile und eine Spalte eines Amplituden/Phasen-
Diagramms, d. h. anstelle von 4096 Amplituden/Phasen-Zuständen nur 64 + 64 = 128
Amplituden/Phasen-Zustände.
Die Grundlagen des Algorithmus sind beispielhaft in dem Amplitu
den/Phasendiagramm gemäß Fig. 4 dargestellt. Die durchgezogenen, fettgedruckten
Linien repräsentieren die tatsächlich gemessenen Amplituden/Phasenzustände, die
Amplituden/Phasenzustände aller anderen Linien (gestrichelt) werden gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren berechnet.
Zunächst werden Amplituden und Phasen der 64 Amplituden/Phasenzustände (32, i)
mit i = 0, . . . 63 des Amplitudenzustands 32 sowie Amplituden und Phasen der 64 Am
plituden/Phasenzustände (j, 32) mit j = 0, . . . 63 des Phasenzustands 32 gemessen.
Für jeden zu rekonstruierenden Amplitudenzustand wird vom Verlauf des gemesse
nen Amplitudenzustands (hier im Beispiel Amplitudenzustand 32) ausgegangen, der
um den entsprechenden Amplitudenabstand ΔA innerhalb des gemessenen Pha
senzustands (im Beispiel Phasenzustand 32) verschoben wird.
Entsprechend wird für jeden zu rekonstruierenden Phasenzustand vom Verlauf des
gemessenen Phasenzustands (hier Phasenzustand 32) ausgegangen, der um den
entsprechenden Phasenabstand Δϕ, bei dem gemessenen Amplitudenzustand (im
Beispiel Amplitudenzustand 32) verschoben wird.
Auf diese Weise können sämtliche Amplitudenzustände und Phasenzustände des
Amplituden/Phasendiagramms rekonstruiert werden.
Der Algorithmus für den in Fig. 4 gezeigten Beispielsfall ist in den Gleichungen (1)
und (2) dargestellt. Für alle gemessenen Amplituden/Phasen-Zustände wird die Ab
kürzung "M" verwendet, für alle berechneten Zustände die Abkürzung "C".
Beispiel für den zu berechnenden Amplituden/Phasen Zustand (10/18):
C(
10
,
18
) = M(
32
,
18
) + (M(
10
,
32
) - M(
32
,
32
)) (1)
C(
10
,
18
) = M(
10
,
32
) + (M(
32
,
18
) - M(
32
,
32
)) (2)
Verallgemeinert für einen beliebigen, zu rekonstruierenden Phasen/Amplituden-
Zustand x, y bei gemessenem Amplitudenzustand a und gemessenem Phasenzu
stand b ergibt sich folgende Rechenregel:
C(x, y) = M(a, y) + (M(x, b) - M(a, b)) (3)
C(x, y) = M(x, b) + (M(a, y) - M(a, b)). (4)
Die Auswahl des zu messenden Amplitudenzustands a und des zu messenden Pha
senzustands b wird vorteilhafterweise an einem komplett gemessenen Amplitu
den/Phasendiagramm eines Sende-Empfangs-Moduls durchgeführt. Es werden alle
möglichen Zeilen/Spalten-Kombination dahingehend geprüft, welche Kombination
die beste Genauigkeit liefert, d. h. aus jeder möglichen Zeilen/Spalten-Kombination
werden alle Amplituden/Phasenzustände errechnet und die Übereinstimmung mit
den gemessenen Werten verglichen. Ein Maß für die Genauigkeit ist die Abweichung
der berechneten Werte von den zugehörigen gemessenen Werten (z. B. über RMS-
Fehler). Die dadurch gewonnene optimale Kombination aus Amplitudenzustand und
Phasenzustand kann dann für die Rekonstruktion der Amplituden/Phasendiagramme
der restlichen Sende-Empfangs-Moduls der Antenne genutzt werden (wie oben an
gemerkt, können dass mehr als 1000 Sende-Empfangs-Module sein).
Es ist aber auch möglich, nach einer bestimmten Anzahl von rechnerisch rekonstru
ierten Amplituden/Phasendiagrammen (z. B. 10) erneut das Amplituden/Phasendia
gramme eines der Sende-Empfangs-Module vollständig zu messen, und auf dieser
Basis eine neue optimale Kombination von Amplitudenzustand und Phasenzustand
zu ermitteln.
Abhängig vom Typ des Sende-Empfangs-Moduls und der geforderten Genauigkeit
ist es auch möglich, den beschriebenen Algorithmus nicht einheitlich auf das ge
samte Amplituden/Phasen-Diagramm anzuwenden, sondern letzteres in mehrere
Segmente aufzuteilen, wobei dann für jedes Segment der beschriebene Algorithmus
separat zur Anwendung kommt. Die Segmentierung wird schrittweise erhöht, bis die
geforderte Übereinstimmung von errechneten Werten und Messwerten erreicht ist.
Fig. 5 zeigt hierzu 16 mögliche Segmentierungen für das Amplituden-Diagramm, wo
bei von links oben bis rechts unten fortschreitend die Segmentierung erhöht wird.
Wesentlich dabei ist, dass für jedes Segment der tatsächlich gemessene Amplitu
denzustand und der tatsächlich gemessene Phasenzustand individuell für jedes
Segment gewählt werden können. Auch hier ist es vorteilhaft, für jedes Segment die
optimale Kombination aus Amplitudenzustand und Phasenzustand auf der Basis ei
nes vollständig gemessenen Amplituden/Phasendiagramms zu ermitteln.
Hierzu zeigt Fig. 6 ein Beispiel, bei dem das Amplituden/Phasendiagramm des Sen
de-Empfangs-Moduls in vier Segmente seg1 bis seg4, angeordnet in zwei Spalten
und zwei Zeilen, unterteilt ist. Für jedes Segment wird individuell eine Kombination
aus Amplitudenzustand und Phasenzustand m1/n1 bis m4/n4 festgelegt, deren ein
zelne Phasen/Amplitudenzustände vermessen werden. Für die Rekonstruktion der
übrigen Phasen/Amplitudenzustände werden also nur die auf den durchgezogenen
Linien liegenden Phasen/Amplitudenzustände eingesetzt. Die auf den gestrichelten
Linien liegenden Phasen/Amplitudenzustände werden für die Berechnung nicht be
nötigt und werden nicht gemessen.
Amplituden/Phasenzustand (x, y): Zustand des Sende-Empfangs-Moduls hinsichtlich
Amplitude und Phase bei einer bestimmten Einstellung x des Amplitudenstellers und
y des Phasenschiebers.
Amplitudenzustand x: Zustand des Sende-Empfangs-Moduls bei einer bestimmten
Einstellung x des Amplitudenstellers bei beliebiger Einstellung des Phasenschiebers.
Phasenzustand y: Zustand des Sende-Empfangs-Moduls für eine bestimmte Ein
stellung y des Phasenschiebers bei beliebiger Einstellung des Amplitudenstellers.
Claims (2)
1. Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-
Empfangs-Moduls für eine phasengesteuerte Gruppenantenne, mit folgenden
Verfahrensschritten:
- - Messung von Amplitude und Phase der Amplituden/Phasenzustände (a, i) mit i = imin . . . imax eines einzelnen Amplitudenzustands a; sowie
- - Messung von Amplitude und Phase der Amplituden/Phasen-Zustände (j, b) mit j = jmin . . . Jmax eines einzelnen Phasenzustands b;
- - Rekonstruktion der Amplituden-Werte eines Amplitudenzustands x durch Verschieben der gemessenen Amplitudenwerte des Amplitudenzustands a um die Differenz ΔA der gemessenen Amplitudenwerte der beiden Amplitu den/Phasenzustände (x, b),(a, b), welche innerhalb des Phasenzustands b gleichzeitig zum Amplitudenzustand x bzw. Amplitudenzustand a gehören,
- - Rekonstruktion der Phasen-Werte eines Phasenzustands y durch Verschie ben der gemessenen Phasenwerte des Phasenzustands b um die Differenz Δϕ der gemessenen Phasenwerte der beiden Amplituden/Phasenzustände (a, y),(a, b), welche innerhalb des Amplitudenzustands a gleichzeitig zum Phasenzustand y bzw. zum Phasenzustand b gehören.
2. Verfahren zur Rekonstruktion des Amplituden/Phasendiagramms eines Sende-
Empfangs-Moduls für eine phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, dass das Amplituden/Phasendiagramm in mehrere
Segmente unterteilt wird, und das Verfahren nach Anspruch 1 für jedes einzelne
Segment durchgeführt wird, wobei für jedes Segment individuell ein Amplitu
denzustand und ein Phasenzustand ausgewählt wird, deren Amplitu
den/Phasenzustände vermessen werden.
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