DE10323549B4

DE10323549B4 - Verfahren zur Gestaltung der Strahlungscharakteristik einer Gruppenantenne

Info

Publication number: DE10323549B4
Application number: DE2003123549
Authority: DE
Inventors: Dr. Löhner Andreas; Dr. Briemle Eugen
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Hensoldt Sensors GmbH
Priority date: 2003-05-24
Filing date: 2003-05-24
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2023-05-25
Also published as: DE10323549A1

Abstract

Verfahren zur Gestaltung der Strahlungscharakteristik einer Gruppenantenne umfassend N Einzelantennen (1) mit Amplituden- und Phasenstellgliedern (2), wobei die Berechnung der Einstellwerte wi mit i = 1, ..., N der jeweiligen Amplituden- und Phasenstellglieder (2) entsprechend der vorgegebenen Strahlungscharakteristik (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellwerte wi mit i = 1, ..., N für die Amplituden- und Phasenstellwerte (2) wie folgt berechnet werden: – Wichtung der N Einzelantennen (1) mit einem vorgebbaren Belegungsvektor ws mit den Elementen ws,i mit i = 1, ..., N, – Unterteilen der N Einzelantennen (1) in K vorgebbare virtuelle Untergruppen (U) mit nk, k = 1, ..., K, Einzelantennen (1), – Berechnen der Gewichtungsfaktoren w0,k mit k = 1, ..., K der K virtuellen Untergruppen (U), derart, dass die Strahlungscharakteristik der Summe der K virtuellen Untergruppen (U) der gewünschten Strahlungscharakteristik (5) entspricht, – Berechnen der Einstellwerte wi der Amplituden- und Phasenstellglieder (2) der nk Einzelantennen (1) einer Untergruppe k gemäß wi = ws,i·w0,k.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gestaltung der Strahlungscharakteristik einer Gruppenantenne gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer Gruppenantenne wird das Sendesignal über ein Gewichtungsnetzwerk in die Einzelantennen eingespeist und von den Einzelantennen abgestrahlt. Das Gewichtungsnetzwerk, auch als Speisenetzwerk bezeichnet, steuert die Nullphasen und die Amplituden der in die Einzelantennen eingespeisten Signale. Die Nullphasen und die Amplituden der in die Einzelantennen eingespeisten Signale können z. B. durch das Multiplizieren mit komplexen Gewichtungsfaktoren im äquivalenten Tiefpassbereich gesteuert werden. Die Phasenverschiebungen und die Signaldämpfungen können in Gewichtungsfaktoren umgerechnet werden und umgekehrt. Durch die Wahl der Gewichtungsfaktoren wird die Strahlungscharakteristik der Gruppenantenne geformt. Im Gegensatz zu Gruppenantennen kann bei einzelnen Antennen die Strahlungscharakteristik nur durch das Verändern der Antennengeometrie verändert werden.
Dem aus DE 4223676 C2 bekannten Verfahren liegt eine Schaltung zugrunde, bei welcher mehrere Antennenelemente zu einer Einheit (Untergruppe) zusammengeschaltet werden. Nickel, U. R. O.: Subarray configurations for digital beamforming with low sidelobes and adaptive interference suppressions. In: Record of IEEE 1995 International Radar Conference, 1995, 8.–11. Mai 1995 S. 714–719 beschreibt ein Verfahren zur Konfiguration von Subarray, bei dem das Strahlungsdiagramm digital geformt wird.
1 zeigt schematisch eine Gruppenantenne bestehend aus N Einzelantennen 1 und einem Verteilnetzwerk 3. Jede Einzelantenne 1 ist über einen Sende-/Empfangsverstärker 2 mit einstellbarer Phase und Amplitude an das Verteilnetzwerk 3 angebunden. Die einstellbaren Phasen und Amplituden des Sende-/Empfangsverstärkers 2, die zum Formen des Strahlungscharakteristik (Antennendiagramm) der Gruppenantenne verwendet werden, sind in 1 mit dem komplexen Faktor w_i mit i = 1, ..., N und Multiplizierern M bezeichnet. Der Faktor w_i gibt dabei an, mit welcher Phase und Amplitude das Sende bzw. Empfangssignal vom Sende-/Empfangsverstärker 2 der i-ten Einzelantenne 1 verstärkt wird.
Zur Berechnung des Faktoren w_i wird in [1] der Least-Square-Ansatz verwendet. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Signalverarbeitungsaufwand aufgrund der hohen Anzahl der Einzelantenne. Üblicherweise spannen die Einzelantennen einer Gruppenantenne eine bis zu 1000×1000 große Matrix auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, zur Einstellung einer gewünschten Strahlungscharakteristik ohne hohen Signalverarbeitungsaufwand die Phasen- und Amplitudenstellwerte der Einzelantennen zu berechnen.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung werden die Einstellwerte w_i mit i = 1, ..., N für die Amplituden- und Phasenstellglieder wie folgt berechnet:

– Wichtung der N Einzelantennen mit einem vorgebbaren Belegungsvektor w_s mit den Elementen w_s,i mit i = 1, ..., N,
– Unterteilen der N Einzelantennen in K vorgebbare virtuelle Untergruppen mit n_k, k = 1, ..., K, Einzelantennen,
– Berechnen der Gewichtungsfaktoren w_0,k mit k = 1, ..., K der K virtuellen Untergruppen, derart, dass die Strahlungscharakteristik der Summe der K virtuellen Untergruppen der gewünschten Strahlungscharakteristik entspricht,
– Berechnen der Einstellwerte w_i der Amplituden- und Phasenstellglieder der n_k Einzelantennen einer Untergruppe k gemäß w_i = w_s,i·w_0,k.

Der vorgegebene Belegungsvektor w_s gibt dabei die von der Gruppenantenne abzustrahlende gewünschte Hauptkeulenform, das Hauptkeule zu Nebenkeulen-Verhältnis sowie die Strahlrichtung an.
In einem nächsten Verfahrensschritt werden die N Einzelantennen der Gruppenantenne in K vorgebbare virtuelle Untergruppen unterteilt, wobei jede virtuelle Untergruppe n_k Einzelantennen aufweist. In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens weisen alle K virtuellen Untergruppen eine gleiche Anzahl n_k Einzelantennen auf.
Selbstverständlich sind auch Ausführungen möglich, bei denen mindestens 2 der K virtuellen Untergruppen eine unterschiedliche Anzahl n_k Einzelantennen aufweisen. Außerdem ist es in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung möglich, dass die K virtuellen Untergruppen bezüglich der Gruppenantenne symmetrisch angeordnet sind.
Die in einer Untergruppe zusammengefaßten Einzelantennen werden im weiteren als eine einzelne Antenne betrachtet. Der Vorteil hierbei ist, dass nunmehr nicht die Amplituden- und Phasenstellwerte von N Einzelantennen, sondern lediglich von K virtuellen Antennen berechnet werden muß.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die Gewichtungsfaktoren w_0,k mit k = 1, ..., K für die Untergruppen berechnet. Die Berechnung erfolgt dabei derart, dass die Strahlungscharakteristik der K virtuellen Untergruppen der gewünschten Strahlungscharakteristik entspricht. Die gewünschte Strahlungscharakteristik kann dabei vorteilhaft eine vorgebbare Anzahl von Nullstellen aufweisen.
Vorteilhaft kann die Berechnung mittels des Projektionsverfahrens durchgeführt werden. Der Gewichtungsfaktor w₀ mit den Gewichtungsfaktoren w_0,k mit k = 1, ..., K berechnet sich dabei gemäß: w₀ = v_e(I – P).
I bezeichnet dabei die Einheitsmatrix der Ordnung K, d. h. I ist eine K-reihige quadratische Matrix. v_e bezeichnet einen Vektor, welcher die Richtungen der Haupt- und Nebenkeulen der Strahlungscharakteristik angibt. Die Matrix P bezeichnet den Raum der vorgebbaren Nullstellen.
Gemäß der Erfindung werden die Einstellwerte w_i für die Amplituden- und Phasenstellglieder der n_k Einzelantennen einer Untergruppe k gemäß w_i = w_s,i·w_0,k berechnet. Für die n_k Antennenelemente in einer Untergruppe k sind somit die Gewichtungsfaktoren w_0,k gleich. Diese Gewichtungsfaktoren w_i werden an die Amplituden- und Phasenstellglieder der tatsächlichen Gruppenantenne angelegt (vgl. 1).
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit Strahlungscharakteristiken erzeugt werden, welche eine vorgebbare Anzahl von Nullstellen aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. in einem Radar mit einer Gruppenantenne zur Unterdrückung von Störsignalen aus bekannten Richtungen oder zur Vermeidung von Senden elektromagnetischer Strahlung in vorgegebene Richtungen eingesetzt werden. Ein Vorteil des Verfahren ist, dass die Strahlungscharakteristik schnell und ohne großen technischen Aufwand an die geforderten Bedingungen angepasst werden kann.
Vorteilhaft wird die Anzahl K der virtuellen Untergruppen in Abhängigkeit der Anzahl NS der Nullstellen der gewünschten Strahlungscharakteristik gewählt. So kann z. B. die Zahl K der Untergruppen insbesondere doppelt oder dreifach so groß wie die Zahl NS der Nullstellen (K = 2·NS oder K = 3·NS) sein. Dies hat zur Folge, dass entsprechend der Anzahl der Nullstellen der technische Aufwand zur Berechnung der Strahlungscharakteristik minimiert werden kann. Selbstverständlich sind auch davon abweichende Verhältnisse von Zahl K der Untergruppen zur Zahl NS der Nullstellen möglich.
Die Erfindung wird im weiteren anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Gruppenantenne mit Antennenelementen und Verteilernetzwerk
2 eine schematische Darstellung einer Gruppenantenne mit einer erfindungsgemäßen virtuellen Unterteilung der Antennenelemente in Untergruppen
3 beispielhafte Strahlungscharakteristiken einer Gruppenantenne.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Gruppenantenne mit einer erfindungsgemäßen virtuellen Unterteilung der Antennenelemente in Untergruppen. Für die Antennenelemente 1 einer Untergruppe U wird ein einziger Gewichtungsfaktor w_0,k berechnet, wobei k mit k = 1...K die jeweilige Untergruppe U angibt. Die Gewichtungsfaktoren w_0,k werden dabei erfindungsgemäß derart berechnet, dass am Summenausgang S über alle Untergruppen U eine virtuelle Strahlungscharakteristik erzeugt wird, welches die vorgegebene Form aufweist. Sind die Gewichtungsfaktoren w_0,k für die einzelnen Untergruppen U berechnet, werden mit den vorgegebenen Wichtungen w_s,i mit i = 1...N der einzelnen Antennenelemente 1 die Einstellwerte w_i der Amplituden- und Phasenstellglieder 2 der Antennenelemente 1 der tatsächlichen Gruppenantenne berechnet.
Aus 2 ist zu erkennen, dass bei dieser Berechnung der Gewichtungsfaktor w_0,k für jedes Antennenelement 1 einer Untergruppe U gilt. Anders ausgedrückt haben bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Antennenelemente 1 einer virtuellen Untergruppe U jeweils denselben Gewichtungsfaktor w_0,k wohingegen Antennenelemente 1 unterschiedlicher virtueller Untergruppe U unterschiedliche Gewichtungsfaktor w_0,k aufweisen.
3 zeigt beispielhafte Strahlungscharakteristiken einer Gruppenantenne, wobei der Betrag der Amplitude über den Winkel, jeweils in beliebigen Einheiten, aufgetragen ist. Die mit der Bezugsziffer 4 bezeichnete Kurve zeigt beispielhaft eine Strahlungscharakteristik von mit einem vorgegebenen Belegungsvekor w_s gewichteten Antennenelementen. Die mit der Bezugsziffer 5 bezeichnete Kurve zeigt die beispielhafte Strahlungscharakteristik, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurde. Die Bezugsziffern 6, 7 und 8 bezeichnen die in der Matrix P vorgegebenen Nullstellen.
Literatur

[1] Löhner, Andreas: Ein Beitrag zum Verbessern der azimutalen Auflösung vorwärtsschauender Radarsysteme mit synthetischer Apertur. Fortschr.-Ber. VDI Reihe 10 Nr. 583, Düsseldorf: VDI Verlag 1999, S. 95–99

Claims

Verfahren zur Gestaltung der Strahlungscharakteristik einer Gruppenantenne umfassend N Einzelantennen (1) mit Amplituden- und Phasenstellgliedern (2), wobei die Berechnung der Einstellwerte w_i mit i = 1, ..., N der jeweiligen Amplituden- und Phasenstellglieder (2) entsprechend der vorgegebenen Strahlungscharakteristik (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellwerte w_i mit i = 1, ..., N für die Amplituden- und Phasenstellwerte (2) wie folgt berechnet werden: – Wichtung der N Einzelantennen (1) mit einem vorgebbaren Belegungsvektor w_s mit den Elementen w_s,i mit i = 1, ..., N, – Unterteilen der N Einzelantennen (1) in K vorgebbare virtuelle Untergruppen (U) mit n_k, k = 1, ..., K, Einzelantennen (1), – Berechnen der Gewichtungsfaktoren w_0,k mit k = 1, ..., K der K virtuellen Untergruppen (U), derart, dass die Strahlungscharakteristik der Summe der K virtuellen Untergruppen (U) der gewünschten Strahlungscharakteristik (5) entspricht, – Berechnen der Einstellwerte w_i der Amplituden- und Phasenstellglieder (2) der n_k Einzelantennen (1) einer Untergruppe k gemäß w_i = w_s,i·w_0,k.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Strahlungscharakteristik (5) eine Strahlungscharakteristik mit einer vorgebbaren Anzahl NS von Nullstellen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Gewichtungsfaktoren w_0,k mit k = 1, ..., K ein Gewichtungsvektor w₀ mittels des Projektionsverfahrens gemäß w₀ = v_e(I – P) berechnet wird, wobei I eine Einheitsmatrix der Ordnung K, P eine den Raum der vorgebbaren Nullstellen aufspannende Matrix der Ordnung K und v_e ein die Richtungen der Haupt- und Nebenkeulen der Strahlungscharakteristik angebender Einheitsvektor ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl K der virtuellen Untergruppen (U) in Abhängigkeit der Anzahl NS der Nullstellen (6, 7, 8) der gewünschten Strahlungscharakteristik (5) gewählt wird, insbesondere K = 2·NS oder K = 3·NS ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle K virtuellen Untergruppen (U) eine gleiche Anzahl n_k Einzelantennen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 der K virtuellen Untergruppen (U) eine unterschiedliche Anzahl n_k Einzelantennen (1) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die K virtuellen Untergruppen (U) bezüglich der Gruppenantenne symmetrisch angeordnet werden.
Verfahren nach einem Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die K virtuellen Untergruppen (U) bezüglich der Gruppenantenne unsymmetrisch angeordnet werden.