DE102010005549A1 - High-frequency output signal phase shift or adjustment method for active array antenna, involves setting phase of reference oscillator signal and/or phase of local oscillator signal for displacement and/or setting of phase of output signal - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Phasenverschiebung oder Phaseneinstellung eines mit einem steuerbaren Oszillator erzeugten Signals. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur breitbandigen Phasenverschiebung oder Phaseneinstellung eines insbesondere hochfrequenten, mit einem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten Signals.The invention generally relates to a method and a circuit arrangement for phase shifting or phase adjustment of a signal generated by a controllable oscillator. In particular, the invention relates to a method and a circuit arrangement for the broadband phase shift or phase adjustment of a particular high-frequency signal generated by a voltage-controlled oscillator.
Zur Einstellung der Phase eines hochfrequenten Signals über einen weiten Frequenzbereich ist es zum einen bekannt, das Signal direkt bei der (hohen) Arbeitsfrequenz mit analogen oder digitalen Phasenschiebern zu beeinflussen. Zum anderen ist es bekannt, zunächst ein niederfrequentes Signal analog oder digital in der Phase zu verschieben und das phasenverschobene Signal dann auf die gewünschte höhere Arbeitsfrequenz umzusetzen. Diese Frequenzumsetzung erfolgt in der Regel nach dem Überlagerungsprinzip, d. h. durch Mischen des niederfrequenten Signals mit dem Signal eines Lokaloszillators und anschließende Filterung. Dieses Verfahren wird z. B. in bekannten aktiven Gruppenstrahlern (”Phased-Array Antenne”) eingesetzt, die durch eine Mehrzahl von in einer Matrix angeordneten, einzeln anzusteuernden Antennenelementen gebildet sind.To adjust the phase of a high-frequency signal over a wide frequency range, it is firstly known to influence the signal directly at the (high) operating frequency with analog or digital phase shifters. On the other hand, it is known to initially move a low-frequency signal in phase analog or digital and then convert the phase-shifted signal to the desired higher operating frequency. This frequency conversion is usually carried out according to the overlay principle, d. H. by mixing the low-frequency signal with the signal of a local oscillator and subsequent filtering. This method is z. B. in known active array lamps ("phased array antenna") used, which are formed by a plurality of arranged in a matrix, individually controlled antenna elements.
Zwar sind analoge und digitale Phasenschieber in großer Anzahl und für viele Frequenzbereiche verfügbar und können auch kompakt und preisgünstig aufgebaut werden. Nachteilig ist jedoch häufig, dass deren Bandbreite relativ gering ist.Although analog and digital phase shifters are available in large numbers and for many frequency ranges, they can also be constructed in a compact and cost-effective manner. The disadvantage, however, is often that the bandwidth is relatively low.
Ein Problem kann auch darin bestehen, dass insbesondere bei digitalen Phasenschiebern die Genauigkeit, die bekanntlich dem digitalen Inkrement plus einer nicht zu vernachlässigenden Toleranzabweichung entspricht, nicht ausreichend ist. Analoge Phasenschieber haben zwar kein Inkrement und können prinzipiell sehr genau eingestellt werden, dafür ist deren Phase für den gesamten ausgelegten Frequenzbereich oftmals nicht über den gesamten Phasenbereich von 360° verstimmbar. Ferner können insbesondere bei der Phasenverschiebung hochfrequenter Signale hohe Verluste entstehen.A problem may also be that, especially with digital phase shifters, the accuracy, which is known to correspond to the digital increment plus a non-negligible tolerance deviation, is not sufficient. Although analogue phase shifters have no increment and can in principle be set very precisely, their phase is often not tunable over the entire phase range of 360 ° for the entire frequency range designed. Furthermore, high losses can occur in particular in the phase shift of high-frequency signals.
Ein Nachteil der oben genannten Umsetzung eines niederfrequenten phasenverschobenen Signals auf eine hohe Frequenz nach dem Überlagerungsprinzip besteht auch darin, dass aufgrund der benötigten Filter (die zudem noch recht teuer sind) auch für diese Umsetzung die Bandbreite eingeschränkt ist. Schließlich ist auch der erforderliche schaltungstechnische Aufwand relativ hoch.A disadvantage of the above-mentioned implementation of a low-frequency phase-shifted signal to a high frequency according to the overlay principle is also that due to the required filter (which are also quite expensive), the bandwidth is limited for this implementation. Finally, the required circuit complexity is relatively high.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit dem/der eine Phasenverschiebung bzw. eine Phaseneinstellung eines insbesondere hochfrequenten Signals mit hoher Präzision oder Feinteilung über einen relativ großen Frequenzbereich des Signals (d. h. breitbandig) möglich ist.The invention is therefore based on the object to provide a method and a circuit arrangement with which a phase shift or a phase adjustment of a particular high-frequency signal with high precision or fine division over a relatively large frequency range of the signal (i.e., broadband) is possible.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einem Verfahren zur Phasenverschiebung oder Phaseneinstellung eines mit einem durchstimmbaren Oszillator erzeugten Ausgangssignals, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass das eine erste Frequenz aufweisende Ausgangssignal des Oszillators mit einem eine zweite Frequenz aufweisenden Lokaloszillatorsignal gemischt und die Phase des Ausgangssignals des Oszillators in Abhängigkeit von einer Phasendifferenz zwischen dem gemischten Signal und einem Referenzoszillatorsignal gesteuert wird, wobei zur Verschiebung bzw. Einstellung der Phase des Ausgangssignals die Phase des Referenzoszillatorsignals und/oder die Phase des Lokaloszillatorsignals eingestellt wird.This object is achieved according to
Die Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 8 mit einer Schaltungsanordnung insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst, die sich dadurch auszeichnet, dass eine geschlossene Regelschleife mit einem Mischer zum Mischen des eine erste Frequenz aufweisenden Ausgangssignals des Oszillators mit einem eine zweite Frequenz aufweisenden Lokaloszillatorsignal, sowie einem Phasendetektor zum Erzeugen eines einer Phasendifferenz zwischen dem gemischten Signal und einem Referenzoszillatorsignal entsprechenden Steuersignals für den Oszillator vorgesehen ist.The object is further achieved according to claim 8 with a circuit arrangement in particular for carrying out a method according to
Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösungen im Vergleich zu den beiden eingangs beschriebenen Arten der Phaseneinstellung bzw. -verschiebung eines Signals mit oder ohne anschließende Frequenzumsetzung nach dem Überlagerungsprinzip bestehen darin, dass die Frequenz-Bandbreite des hochfrequenten phasenverschobenen Signals prinzipiell nicht durch die Bandbreite eines Phasenschiebers eingeschränkt, sondern durch die Durchstimmbarkeit bzw. Steuerbarkeit des vorzugsweise spannungsgesteuerten Oszillators, sowie eines das Referenzsignal erzeugenden Referenzoszillators und/oder eines das Lokaloszillatorsignal erzeugenden Lokaloszillators bestimmt ist.Particular advantages of the inventive solutions compared to the two types of phase adjustment or displacement of a signal with or without subsequent frequency conversion according to the overlay principle described above are that the frequency bandwidth of the high-frequency phase-shifted signal is not limited in principle by the bandwidth of a phase shifter, but is determined by the tunability or controllability of the preferably voltage-controlled oscillator, as well as a reference signal generating reference oscillator and / or a local oscillator signal generating local oscillator.
Weiterhin kann auch die Phase des Ausgangssignals wesentlich präziser und feiner eingestellt werden als es in der eingangs beschriebenen Weise mit bekannten analogen oder digitalen Phasenschiebern möglich ist.Furthermore, the phase of the output signal can be set much more precisely and finely than is possible in the manner described above with known analog or digital phase shifters.
Auch der Schaltungsaufwand zur Realisierung der Erfindung fällt wesentlich geringer aus als bei der Frequenzumsetzung nach dem Überlagerungsprinzip, so dass die erfindungsgemäße Lösung wesentlich kostengünstiger realisiert werden kann.Also, the circuit complexity for the realization of the invention is much lower than in the frequency conversion after the Overlay principle, so that the inventive solution can be realized much cheaper.
Ein Vorteil besteht schließlich auch darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren zur Phasenverschiebung prinzipiell bei jeder Ausgangssignalfrequenz eingesetzt werden kann, für die Frequenzgeneratoren in Form von PLL(phase-locked loop)-Synthesizern zur Verfügung stehen. Technologische Fortschritte bei den Synthesizerkomponenten kommen damit der erfindungsgemäßen Lösung unmittelbar zugute und können direkt realisiert werden.Finally, there is also an advantage in that the phase shifting method according to the invention can in principle be used at any output signal frequency for which frequency generators in the form of PLL (phase-locked loop) synthesizers are available. Technological advances in the synthesizer components thus directly benefit the solution according to the invention and can be realized directly.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der Schaltungsanordnung zum Inhalt.The dependent claims have advantageous developments of the method or the circuit arrangement to the content.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften und bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung. Es zeigt:Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary and preferred embodiments of the invention with reference to the drawings. It shows:
Zur besseren Unterscheidung von dem erfindungsgemäßen Offset-Synthesizer-Prinzip soll zunächst anhand des Blockschaltbildes der
Ein solcher bekannter Frequenzgenerator umfasst gemäß
Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators
Dadurch entsteht der bekannte geschlossene PLL-Regelkreis, mit dem die Frequenz des am Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators
Wenn die Phase des dem Phasendetektor
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht allerdings darin, dass sich die Phase des Ausgangssignals gegenüber der Phase des Referenzoszillatorsignals um das im Teiler
Bekannte Phasendetektoren können Frequenzen von etwa 100 MHz bis maximal etwa 200 MHz vergleichen. Dies bedeutet, dass bei Ausgangssignalen von einigen 10 GHz Teilerverhältnisse im Bereich von einigen 100 benötigt werden. Wenn das Ausgangssignal in relativ kleinen Frequenzschritten einstellbar sein soll, sind Teilerverhältnisse von einigen 1000 oder mehr erforderlich.Known phase detectors can compare frequencies from about 100 MHz to a maximum of about 200 MHz. This means that for output signals of a few 10 GHz, divider ratios in the range of a few hundred are needed. If the output signal is to be adjustable in relatively small frequency steps, divider ratios of a few thousand or more are required.
In
Diese Schaltungsanordnung weist ebenfalls einen Phasendetektor
Mit dieser Schaltungsanordnung wird somit im Unterschied zu der in
In dem Phasendetektor
Im eingeschwungenen Zustand der Schaltung sind somit wiederum die Phasen- und Frequenzdifferenz der beiden dem Phasendetektor
Da das Mischen zweier Signale eine phasentreue Operation ist, führt eine Phasenänderung des Referenzoszillatorsignals zu einer zumindest im Wesentlichen identischen Phasenänderung des Ausgangssignals des durchstimmbaren Oszillators
Auch eine Änderung der Phase des Lokaloszillatorsignals (und damit der Phase des Mischersignals) führt zu einer entsprechenden Phasenänderung des Ausgangssignals des durchstimmbaren Oszillators
Eine Veränderung der Frequenz des Ausgangssignals der Schaltungsanordnung kann durch eine Veränderung der Referenzfrequenz des Referenzoszillators Ref und/oder der Lokaloszillatorfrequenz des Lokaloszillators
Auf diese Weise ist es möglich, ein gewünschtes hochfrequentes Ausgangssignal in der Phase präzise und fein einzustellen. Die maximale Frequenz-Bandbreite des Ausgangssignals wird durch die Durchstimmbarkeit des (spannungs-) gesteuerten Oszillators
Im Unterschied zu der in
Zur Verschiebung bzw. Einstellung der Phase des Referenzoszillatorsignals ist ein vorzugsweise manuell oder durch eine andere elektronische Baugruppe (nicht dargestellt) einstellbarer erster analoger oder digitaler Phasenschieber
Weiterhin weist die Schaltung gemäß
Auch die Frequenz des Lokaloszillatorsignals kann zur Verschiebung bzw. Einstellung der Frequenz des Ausgangssignals der Schaltungsanordnung vorzugsweise manuell oder durch eine andere elektronische Baugruppe (nicht dargestellt) einstellbar sein.The frequency of the local oscillator signal may also be adjustable for shifting or adjusting the frequency of the output signal of the circuit arrangement manually or by another electronic module (not shown).
Je nach Anwendungsfall und Schaltungsauslegung kann es ausreichend sein, entweder nur den ersten oder nur den zweiten Phasenschieber
In den Fällen, in denen die gewünschte Frequenz des Ausgangssignals so hoch ist, dass sie nicht direkt mit dem spannungsgesteuerten Oszillator
Eine bevorzugte Anwendung einer erfindungsgemäßen Phasenschieberschaltung findet sich auf dem Gebiet der aktiven, d. h. phasengesteuerten Gruppenantennen (Phased-Array Antennen), deren Antennencharakteristik elektronisch geschwenkt wird.A preferred application of a phase shift circuit according to the invention can be found in the field of active, d. H. phased array antennas whose antenna characteristics are electronically panned.
Nachfolgend sei davon ausgegangen, dass eine Gruppenantenne durch eine Anzahl n von in Form einer Matrix angeordneten Einzelstrahlern zur Abstrahlung oder zum Empfangen von elektromagnetischen Signalen gebildet ist, wobei die Matrix eine Anzahl z von Zeilen Z1, ... Zz und eine Anzahl s von Spalten S1, ... Ss aufweist und jede Zeile Zi die Anzahl s von Einzelstrahlern A1, ... As und jede Spalte Sj die Anzahl z von Einzelstrahlern A1, ... Az aufweist, so dass sich die Gesamtanzahl n der Einzelstrahler zu n = z × s ergibt.Hereinafter, let it be assumed that a group antenna is constituted by a number n of individual emitters arranged in the form of a matrix for emitting or receiving electromagnetic signals, the matrix having a number z of rows Z1, ... Zz and a number s of columns S1, ... Ss and each row Zi has the number s of individual radiators A1, ... As and each column Sj the number z of individual radiators A1, ... Az, so that the total number n of the individual radiators is n = z × s yields.
Die Phasen der über jeden Einzelstrahler abzustrahlenden bzw. zu empfangenden Signale müssen zum Schwenken der Antennencharacteristik in bekannter Weise jeweils durch Phasenschieber individuell eingestellt bzw. verändert werden.The phases of the signals to be radiated or received via each individual emitter must be individually set or changed in each case by phase shifters in order to tilt the antenna characteristic.
Ein erstes Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt das schematische Blockschaltbild in
Gleiche bzw. einander entsprechende Komponenten wie in
Die weiteren Kanäle K2, .... Kn sind nur schematisch angedeutet und in gleicher Weise aufgebaut wie der erste Kanal K1. Wie weiterhin angedeutet ist, ist die Quelle DS mit den Mischern M1, M2, ... Mn jedes Kanals K1, K2, ... Kn verbunden.The further channels K2, .... Kn are indicated only schematically and constructed in the same way as the first channel K1. As further indicated, the source DS is connected to the mixers M1, M2, ... Mn of each channel K1, K2, ... Kn.
Da bekanntlich alle Einzelstrahler A1, A2, ... An einer Gruppenantenne mit koherenten Sendesignalen angesteuert werden müssen, ist für sämtliche Kanäle K1, K2, ... Kn der Gruppenantenne ein gemeinsamer Referenzoszillator Ref sowie ein gemeinsamer Lokaloszillator
Dabei ist der Referenzoszillator Ref mit jedem ersten Phasenschieber
Somit kann also die Phase des von jedem Einzelstrahler A1, A2, ... An abgestrahlten Signals in jedem Kanal K1, K2, ... Kn individuell mittels der in
Das abzustrahlende Daten- oder Nutzsignal wird dabei in den Mischern M1, M2, ... Mn mittels des als Lokaloszillatorsignal dienenden Ausgangssignals der Phasenschieberschaltung auf die Sendefrequenz umgesetzt und dann über die Einzelstrahler A1, A2, ... An abgestrahlt. The data or useful signal to be radiated is converted in the mixers M1, M2,... Mn to the transmission frequency by means of the output signal of the phase shifter circuit serving as a local oscillator signal and then emitted via the individual radiators A1, A2,...
Ein zweites Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung betrifft die in der
Im Unterschied zu dem in
Somit ist also gemäß
Der zweite Eingang aller Mischer M1, M2, ... Mn der Gruppenantenne (d. h. aller Zeilen und Spalten) ist mit einer gemeinsamen Quelle DS für ein Nutz- oder Datensignal verbunden.The second input of all mixers M1, M2, ... Mn of the array antenna (i.e., all rows and columns) is connected to a common source DS for a payload or data signal.
Zur Gewährleistung der Koherenz der von allen Einzelstrahlern A1, ... An der Gruppenantenne abstrahlten Sendesignale ist wiederum für Kanäle K1, .... Kn, d. h. für alle Zeilen und alle Spalten ein gemeinsamer Referenzoszillator Ref sowie ein gemeinsamer Lokaloszillator
Dieses zweite Anwendungsbeispiel hat den Vorteil, dass im Falle einer Gruppenantenne mit einer Anzahl n = z × s von Einzelstrahlern bzw. Kanälen, nur eine Anzahl m von (z + s) erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen erforderlich ist (siehe
Mit anderen Worten werden also bei dem zweiten Anwendungsbeispiel alle Einzelstrahler einer Zeile Zi mit dem gleichen phasenverschobenen Signal angesteuert. Entsprechendes gilt auch für die Einzelstrahler einer Spalte Sj. Die Richtungseinstellung der Gruppenantenne erfolgt dadurch, dass jeder Einzelstrahler A über diejenige Zeile Zi und diejenige Spalte Sj angesteuert wird, an deren Kreuzungspunkt in der Matrixanordnung der betreffende Einzelstrahler A liegt. Die über einen Einzelstrahler A abgestrahlte Phase ergibt sich dann aus der Summe der über die betreffende Zeile Zi und die betreffende Spalte Sj zugeführten Phasen.In other words, therefore, in the second application example, all the individual radiators of a row Zi are driven with the same phase-shifted signal. The same applies to the individual radiators of a column Sj. The directional adjustment of the array antenna is effected in that each individual radiator A is controlled via the line Zi and the column Sj at whose intersection point in the matrix arrangement the relevant individual radiator A is located. The phase emitted by a single radiator A then results from the sum of the phases supplied via the relevant row Zi and the relevant column Sj.
Dabei wird wiederum, wie oben erläutert wurde, der erste und/oder der zweite Phasenschieber
Das abzustrahlende Daten- oder Nutzsignal wird wiederum in den Mischern M1, M2, ... Mn mittels der als Lokaloszillatorsignal dienenden Ausgangssignale am Ausgang A der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen auf die Sendefrequenz umgesetzt und dann über die Einzelstrahler A1, A2, ... An abgestrahlt.The data or useful signal to be radiated is in turn converted to the transmission frequency in the mixers M1, M2,... Mn by means of the output signals serving as local oscillator signal at the output A of the circuit arrangements according to the invention and then emitted via the individual radiators A1, A2,...
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