DE102007037252B4

DE102007037252B4 - Verfahren und Einrichtung zur Amplitudenstellung für Antennenelemte eines aktiven, elektronisch gesteuerten Antennensystems

Info

Publication number: DE102007037252B4
Application number: DE200710037252
Authority: DE
Inventors: Thomas Bertuch
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT fur AN; Forschungsgesellschaft fur Angewandte Naturwissenschaften Ev(fgan)
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-08-08
Also published as: DE102007037252A1

Abstract

Mit der Erfindung wird ein Verfahren und eine Einrichtung angegeben, bei dem HF-Speisenetzwerk und T/R-Module eines aktiven, elektronisch gesteuerten Antennensystems so ausgelegt sind, dass sich über diese Funktionselemente eine Übertragungsfunktion ergibt, deren Verteilung jeweils einem vordefiniertem Anteil der gewählten Elementgewichtung entspricht. Damit müssen die Amplitudenstellglieder im Vergleich zu einem konventionellen AESA-System, nur noch einen Anteil des erforderlichen Dynamikbereichs abdecken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Amplitudenstellung für Antennenelemente eines aktiven, elektronisch gesteuerten Antennensystems, im Folgenden, als „AESA-System" bezeichnet. Diese aktiven Antennen bestehen prinzipiell, aus den drei Untersystemen:

A HF-Verteil- und Zusammenfassungsnetzwerk (im Folgenden als „HF-Speisenetzwerk" bezeichnet),
B aktiven Sende-, Empfangs- oder kombinierten aktiven Sende-/Empfangsmodulen – nachfolgend „T/R-Module" genannt –, angeordnet, zwischen den antennenseitigen Ausgängen des HF-Speisenetzwerks und den Antennenelementen, sowie
C den Antennenelementen, die zusammen eine gemeinsame Antennenapertur belegen.

In einer Ausführung nach der US 5166690 , wird die simultane Bildung einer Anzahl M unterschiedlicher Gruppendiagramme durch die Parallelschaltung von M gleichmäßigen 1:N Leistungsteilern/-kombinierern erreicht. N ist die Anzahl der Antennenelemente bzw. T/R-Module und das Wort „gleichmäßig" bedeutet hier, dass die eingespeiste Leistung zu gleichen Teilen auf die N Ausgänge verteilt wird. Jedes Antennenelement ist einzeln an ein T/R-Modul angeschlossen. Jedes T/R-Modul ist wiederum an den Eingang eines ungleichmäßigen 1:M Leistungsteilers angeschlossen, der das Antennensignal auf die M parallelen, gleichmäßigen Leistungsteiler aufteilt. Die Gewichtung der Pfade der ungleichmäßigen 1:M Leistungsteiler variiert von Antennenelement zu Antennenelement, wobei sich die Gewichtung der Antennensignale zwischen T/R-Modulen und Speisenetzwerk mit einem vordefinierten Anteil aufgeteilt. Im Sende- und im Empfangsfall sind jeweils andere Einstellungen der Amplituden- und Phasenstellglieder in den T/R-Modulen wirksam.
Diese Einrichtung weist allerdings keine Vorgabe für eine Aufteilung der Gewichtung für den Fall der Anwendung eines verlustlosen Speisenetzwerks auf, mit der im Empfangsfall die aktiven Reflexionsfaktoren an den Übergängen von den T/R-Modulen auf das Speisenetzwerk bei vernachlässigbaren Resten vermeidbar wären.
Es ist weiterhin zu erwarten, dass sich diese Einrichtung bei Verwendung eines hier vorteilhaften verlustlosen Speisenetzwerks nicht für die Bildung von M unterschiedlichen Gruppendiagrammen eignet. Wegen der fehlenden Verluste in den einzelnen Teilen des Speisenetzwerks werden sich unerwünschte Verkopplungseffekte zwischen den verschiednen Toren der Netzwerke ergeben, die eine sauber Diagrammbildung erschweren oder sogar unmöglich machen.
Bei konventionellen AESA-Systemen, werden die einzelnen Gewichtungskoeffizienten entweder mittels Amplitudenstellgliedern, z. B. Dämpfungsgliedern oder variablen Verstärkern, in den T/R-Modulen eingestellt oder durch eine speziell entworfene, feste, d. h. zeitinvariante, Übertragungsfunktion des HF-Speisenetzwerks zwischen dessen Summentor und den T/R-Modultoren. Diese konventionellen Verfahren weisen allerdings für den Fall einer Gewichtung ausschließlich durch die T/R-Module den Nachteil auf, die Amplitudenstellglieder für einen, an den Möglichkeiten der verfügbaren Funktionsglieder gemessenen, unwirtschaftlich großen Dynamikbereich auslegen zu müssen, was bei starken Dämpfungen bzw. geringen Verstärkungen zusätzlich auch noch die Rauschzahl signifikant ansteigen ließe.
Bei Gewichtung ausschließlich durch das HF-Speisenetzwerk, müsste dieses einen entsprechend großen Dynamikbereich abdecken. Die Realisierung eines großen Dynamikbereichs ist, weil die Möglichkeiten der dazu zur Verfügung stehenden Technologien weit zu übersteigen sind, z. B. zur Herstellung notwendiger Leitungsstücke mit hohem Leitungswellenwiderstand, derzeit ausgeschlossen.
Würde hier ein verlustloses HF-Speisenetzwerk verwendet, entstünden im Empfangsfall an den T/R-Modultoren starke unerwünschte Reflexionen des Nutzsignals, die mit zusätzlichem Aufwand zu absorbieren wären.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reduktion der Dynamikbereiche in den zu benutzenden Funktionselementen herbeizuführen, bei gleichzeitiger Reduktion der Reflexionen des Nutzsignals im Empfangsfall.
Die Lösung der Aufgabe gelingt gemäß einem Verfahren und einer Einrichtung, wie es die Ansprüche 1 und 2 vorgeben.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr vorgesehen, die Amplitudenstellung für die einzelnen Antennenelemente eines AESA-Systems, nach einem bestimmten Verhältnis aufgeteilt, jeweils gleichzeitig vom HF-Speisenetzwerk und von den T/R-Modulen wahrnehmen zu lassen.
Im Empfangsfall bedämpften oder verstärkten die Amplitudenstellglieder der T/R-Module und das HF-Speisenetzwerk das Empfangssignal dazu jeweils proportional zum Quadratwurzelwert der gewünschten relativen Empfangsamplitudenverteilung in der AESA-Apertur.
Damit wird es möglich, die Ansprüche an die Dynamikbereiche von T/R-Modulen und HF-Speisenetzwerk wirtschaftlich und technisch realisierbar zu gestalten. Im Einzelfall eröffnet sich so die Möglichkeit, die Wortlänge der benötigten Bits zur Steuerung digitaler Amplitudenstellglieder in den T/R-Modulen erheblich zu reduzieren und mögliche Reflexionen des Nutzsignals im Empfangsfall zum wesentlichen Teil zu vermeiden.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 im Einzelnen erläutert.
Es zeigen die
1 – den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen aktiven Antenne unter Einsatz der vorgeschlagenen Elementgewichtung.
2 – die Untersysteme eines typischen AESA-Systems.
3 – ein Blockschaltbild eines T/R-Moduls mit „Common Leg" Struktur.
4 – Beispiel für die Verteilung der Gewichtungskoeffizienten einer AESA mit linearer Gruppenantenne. Gegenübergestellt sind die Verteilungen bei Realisierung durch ein einzelnes Untersystem und durch symmetrische Aufteilung.
Das neue Verfahren sieht vor, wie in 1 angedeutet, eine gleichzeitige funktionelle Einwirkung zur Amplitudenstellung, zwischen den T/R-Modulen und dem HF-Speisenetzwerk nach einer festen Vorschrift aufzuteilen.
Ein gemeinsamer minimaler Dynamikbereich für beide Teilsysteme wird dabei erreicht, indem durch das HF-Speisenetzwerk und durch die Amplitudenstellglieder im Empfangsfall jeweils der Quadratwurzelwert der gewählten Elementgewichtung übernommen wird. Dabei sind nicht die absoluten Werte der einzelnen Gewichtungskoeffizienten wesentlich, sondern nur deren Verteilung über alle Kanäle. D. h. ein gemeinsamer multiplikativer Faktor für alle Gewichtungskoeffizienten eines Untersystems ist zulässig. Bei einer solchen symmetrischen Aufteilung treten im Empfangsfall wegen des Reziprozitätsprinzips auch keine Reflexionen des Nutzsignals an den T/R-Modultoren des HF-Speisenetzwerks auf und die Anforderungen an den Dynamikbereich der Gewichtungskoeffizienten im logarithmischen Maßstab wird halbiert. Die Einstellungen der Phasenstellglieder in den T/R-Modulen sind abhängig von der technischen Ausführung des HF-Speisenetzwerks fachmännisch unter Berücksichtigung der Verlustlosigkeit und des Reziprozitätprinzips zu wählen.
Die praktische Ausführung nach Anspruch 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens, setzt ein Radarsystem mit aktiver, phasengesteuerter Gruppenantenne und verlustlosem Speisenetzwerk voraus wie in 2 schematisch angedeutet. Im Sendefall wird das HF-Signal in den T/R-Modulen durch Leistungsverstärker (HPA) verstärkt. Diese arbeiten i. d. R. mit konstanter Verstärkung, um einen maximalen Wirkungsgrad und eine maximale Ausgangsleistung zu erreichen. Da die Sendeleistung in AESA-Radarsystemen für die gesamte Systemperformance ein limitierender Faktor ist, ist es regelmäßig verzichtbar, im Sendefall eine zu den Seiten der Antennenapertur abfallende Antennenbelegung zu realisieren. Dies gilt insbesondere für den Fall, in dem dazu die lokal erzeugte HF-Leistung anschließend durch Dämpfungsglieder wieder vernichtet werden muss. Somit wird im Sendefall normalerweise mit einer konstanten Aperturbelegung gearbeitet. Für den Empfangsfall ist es hingegen nötig, eine seitlich abfallende Aperturbelegung zu verwenden, um ein möglichst niedriges Nebenzipfelniveau des Empfangsantennendiagramms zu erreichen, um so Störsignale möglichst gut unterdrücken zu können.
Der Aufbau typischer T/R-Module ist in 3 schematisch dargestellt. Hier ist insbesondere zu beachten, dass der Phasenschieber und das Amplitudenstellglied sowohl im Sende- als auch im Empfangsfall auf die Signale wirken („common leg” Architektur).
Für diesen Anwendungsfall wird nach dem neuen Verfahren das verlustlose HF-Speisenetzwerk so ausgelegt, dass sich zwischen seinem Summentor und den T/R-Modulen eine Amplitudenübertragungsfunktion ergibt, deren Verteilung bis auf einen multiplikativen Faktor der Quadratwurzel der gewünschten Elementgewichtung im Empfangsfall entspricht. Somit müssen im Empfangsfall die Amplitudenstellglieder in den T/R-Modulen im Vergleich zu einem konventionellen AESA-System, zum Vergleich, im Beispiel 4 im logarithmischen Maßstab aufgetragen, nur noch die Hälfte des erforderlichen Dynamikbereichs abdecken.
Für den Sendefall benötigen alle HPA's die gleiche Eingangsleistung. Dazu muss die Amplitudenübertragungsfunktion des HF-Speisenetzwerks durch die Amplitudenstellglieder kompensiert werden. Der Dynamikbereich der Stellglieder ist aber an den des HF-Speisenetzwerks angepasst, weshalb eine Kompensation problemlos möglich ist. Speisenetzwerk und Amplitudenstellglieder arbeiten in diesem Betriebsfall gegeneinander.
Im Empfangsfall arbeiten die beiden Systeme zusammen. Die Amplitudenstellglieder erzeugen einen Teil der Gewichtungskoeffizienten und das HF-Speisenetzwerk übernimmt einen zweiten Anteil. An der Schnittstelle zwischen T/R-Modulen und Speisenetzwerk entstehen dabei für das Nutzsignal im Idealfall und bei zweckmäßiger Wahl der Einstellungen der Phasenschieber keine Reflexionen.
Somit werden bei Aufteilung der Elementgewichtung entsprechend der Quadratwurzel zwischen HF-Speisenetzwerk und T/R-Modulen die Ansprüche an den Dynamikbereich des Amplitudenstellglieds bei „common leg" Architektur minimal.

Claims

Verfahren zur Amplitudenstellung für Antennenelemente eines aktiven, elektronisch gesteuerten Antennensystems (AESA-Systems), mit einem verlustlosen, zeitinvarianten und reziproken HF-Verteil- und -kombinationsnetzwerk (HF-Speisenetzwerk) und einer vorgegebenen Amplitudenverteilung in der AESA-Apertur, bei dem im Sendefall die in den T/R-Modulen befindlichen Amplitudenstellglieder die Amplitudenübertragungsfunktion des HF-Speisenetzwerks kompensieren, dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangsfall die Amplitudenstellglieder der T/R-Module und das HF-Speisenetzwerk das Empfangssignal jeweils proportional zum Quadratwurzelwert der gewünschten relativen Empfangsamplitudenverteilung in der AESA-Apertur bedämpfen oder verstärken.
Elektronisch gesteuertes Antennensystem für ein Verfahren nach Anspruch 1, mit einem HF-Speisenetzwerk, T/R-Modulen und Antennenelementen, gekennzeichnet durch, in der Empfangsfunktion nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gesteuertem HF-Speisenetzwerk und gesteuerten Amplitudenstellgliedern der T/R-Module.