DE1591163C - Vorrichtung zur Addition von Mikrowel lensignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Addition von kohärenten Mikrowellensignalen, vorzugsweise hoher Leistung, mit einer Hybridanordnung in Form von vier in einem geschlossenen Ring angeordneten Hybriden.

Es ist eine Anordnung von vier Hybriden bekannt, die jeweils zwei mit zwei benachbarten Hybriden verbundene Arme aufweisen, so daß sie einen geschlossenen Ring bilden. Bei der bekannten Anordnung werden die Hybriden von magischen T gebildet, deren-symmetrische H- und £-Arme miteinander verbunden sind. Diese bekannte Hybridanordnung hat vier Eingänge und vier Ausgänge und dient dazu, aus den vier, den verschiedenen Eingängen zugeführten Eingangssignalen Summen- und Differenz- >5 signale als Ausgangssignale zu bilden. Eine solche Hybridanordnung ist also beispielsweise dazu geeignet, die von den vier Elementen einer Monopulsantenne kommenden Signale in der Weise zu kombinieren, wie es für eine Weiterverarbeitung erforderlieh ist.

Im Gegensatz dazu befaßt sich die Erfindung mit der Addition kohärenter Mikrowellenenergie zu dem Zweck, ein Mikrowellensignal erhöhter Leistung zu erhalten. Bisher wurden bei der Entwicklung von Methoden zu einer solchen Addition kohärenter Mikrowellenenergie erhebliche Schwierigkeiten angetroffen. Bei einer bekannten Methode wurde eine direkte Leistungsaddition von Mikrowellensignalen mit Hilfe einer Reihe von Richtkopplern versucht. Bei der Verwendung von Richtkopplern ist jedoch die übertragbare Leistung durch die Spannungsfestigkeit der Hohlleiteranordnungen begrenzt. Eine andere bekannte Methode besteht darin, Antennen über mehrere Leitungen zu speisen. Hier ist es jedoch erforderlich, bestimmte Phasenlagen genau einzuhalten, wenn keine Schwierigkeiten bei der Ausrichtung des Antennenstrahles eintreten sollen, die eine unbefriedigende Funktion zur Folge haben.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Addition von kohärenten Mikrowellensignalen zu schaffen, die eine höhere mittlere Leistung zu übertragen vermag als bekannte Einrichtungen, ohne daß die Impulsleistung in irgendeinem Abschnitt des Hohlleiters erhöht oder das Tastverhältnis vermindert wird. Weiterhin soll bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Steuerung der Phase der zu addierenden Signale nicht kritisch sein, so daß diese Vorrichtung keinerlei Probleme bei der Lenkung des Antennenstrahles hervorruft.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs angeführten Ausbildung nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die erste und die zweite Hybride des Ringes je eine erste bzw. zweite elektromagnetische Welle auf einen ersten und einen zweiten bzw. einen dritten und einen vierten Signalpfad verteilen, die dritte Hybride des Ringes die auf den ersten und den dritten Signalpfad verteilten elektromagnetischen Wellen und die vierte Hybride die auf den zweiten und den vierten Signalpfad verteilten elektromagnetisehen Wellen zu einer ersten bzw. zweiten kombinierten elektromagnetischen Welle zusammenfassen, daß mit der dritten und der vierten Hybride des Ringes nicht reziproke Schaltelemente, die entsprechende Signalwege für die erste und die zweite kombinierte ^6s elektromagnetische Welle bilden, verbunden sind und weiterhin mit den nicht reziproken Schaltelementen eine zweite Hybridanordnung gekoppelt ist, die die erste und die zweite kombinierte Welle teilt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere dazu geeignet, die von zwei Sendern herstammenden elektromagnetischen Wellen zu vereinigen und die Gesamtenergie mit Hilfe der zweiten Hybridanordnung zur Erregung einer Monopulsantenne zu verwenden, ohne daß Unterschiede in der Phasenlage der beiden Wellen der beiden Sender einen Einfluß auf das Richtdiagramm der Monopulsantenne haben.

Weitere Einzelheiten, Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert wird. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur Addition von Mikrowellensignalen nach der Erfindung und

F i g. 2 ein Diagramm mit einer Kurvenschar, die den Verlust an abgestrahlter Leistung als Funktion der Phasen- und/oder Leistungsdifferenz zwischen zwei Sendern darstellt, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung speisen.

Die in F i g. 1 als Ausführungsbeispiel dargestellte Schaltung weist zwei Pfade auf, in denen die von zwei kohärenten Mikrowellensendern 24 und 25 gelieferten Eingangssignale miteinander addiert und dann einer Antenne 23 zugeführt werden, bei der es sich um eine übliche Monopulsantenne handeln kann. Die verwendeten kohärenten Sender können je nach der für das System benötigten Frequenz und Leistung aus einer beliebigen Anzahl üblicher Sender bestehen. Weiterhin kann jedes Vielfache von zwei Sendern, wie beispielsweise vier oder sechs Sender, gemäß der Erfindung benutzt werden, je nachdem, welche Ausgangsleistung erwünscht ist.

Um eine optimale Leistungsaddition zu erzielen, müssen die Ausgangssignale der Sender kohärent sein, d. h., daß die Ausgangssignale der beiden Sender in einer konstanten Frequenz- und Phasenbeziehung zueinander stehen müssen. Zur Erläuterung der F i g. 2 werden die der Vorrichtung von den Sendern zugeführten Eingangssignale mit Α/_Φ und B[O^ bezeichnet. Eine nach der Erfindung erstellte und geprüfte Vorrichtung arbeitete im K„-Band. Die in F i g. 2 dargestellte Kurvenschar veranschaulicht die mit dieser Vorrichtung erzielten Resultate. Die speziellen Komponenten, die in der folgenden Beschreibung erwähnt sind, wurden zur Erstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für das K_u-Band verwendet. Es versteht sich jedoch, daß Vorrichtungen zur Addition von Mikrowellensignalen auch in anderen Frequenzbereichen Verwendung finden können, und es könnte die Nützlichkeit derartiger Vorrichtungen in anderen Frequenzbändern, wie beispielsweise im X-Band, nachgewiesen werden.

In dem in Fig. 1 oberen Pfad ist eine rotierende Anordnung 11, die beispielsweise von einem Satz üblicher Drehkopplungen gebildet werden kann, vorgesehen, die ihr Eingangssignal vom Sender A empfängt. Die Ausgangsspannung A[<P der rotierenden Anordnung 11 gelangt zu einem magischen »T«13, bei der es sich um eine übliche Mikrowellen-Hybride handelt. Das magische »T«13 empfängt seine Eingangsenergie am Η-Arm, an den die Parallelarme symmetrisch angeschlossen sind, während der Γ-Arm mit einem Abschlußwiderstand versehen ist. Infolgedessen ist die Hybride für das Eingangssignal Α/Φ reflexionsfrei. Infolgedessen sind die Ausgangsspan-

nungen des magischen »Τ« 13 beide wie angegeben Α/ψΓ/Φ. In dem in Fig. 1 unteren Pfad, der eine rotierende Anordnung 12 und ein magisches »T«14 enthält, die beide von der gleichen Art wie im oberen Pfad sind, findet der gleiche Vorgang bezüglich eines Eingangssignals B/Jl statt, wie es in F i g. 1 veranschaulicht ist. ■>

Ein zweiter Satz magischer »T«15 und 16 wird dazu benutzt, Teile der Eingangssignale Α/Φ und B/0 zu addieren. Die magischen »T«15 und 16 sind ebenfalls übliche Mikrowellen-Hybriden. Die Ausgangsspannung des magischen »Γ« 15 ist ebenso wie die Ausgangsspannung des magischen »T« 16

Α/2/Φ + ß/2/0.

15

Die Ausgangssignale der magischen »T«15 und 16 werden je einem von zwei Zirkulatoren 17 und 18 zugeführt. Die Zirkulatoren 17 und 18 sind übliche nicht reziproke Vorrichtungen. Die entsprechenden Ausgangssignale der Zirkulatoren 17 und 18 werden den Hybriden 19 und 20 zugeführt. Die Ausgangssignale der Hybriden 19 und 20 werden dann den Eingängen 23a bis 23d der Antenne 23 zugeführt. Weiterhin ist eine Hybride 21 zwischen die Zirkulatoren 17 und 18 und eine weitere Hybride 22 zwisehen die Hybriden 19 und 20 geschaltet, um zusätzliche Pfade für elektromagnetische Wellen zu schaffen. Auch bei den Hybriden 21 und 22 handelt es sich um übliche Bauteile, die den Hybriden 19 und 20 gleich sind. Die drei Ausgangssignale der Hybriden 21 und 22 werden dazu benutzt, um aus der von der Antenne empfangenen Energie das Summensignal, das Azimut- und das Elevationsfehlersignal zu bilden. Weitere Einzelheiten über übliche Monopuls-Radarsysteme können in dem Buch von M. I. Sko 1 η ik, »Introduetion to Radar Systems«, McGraw Hill Company, 1962, S. 175 bis 184, gefunden werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die ursprünglichen Eingangssignale A[Φ und B[O^ in einer solchen Weise geteilt und wieder vereinigt werden, daß die Ausleuchtung der Antenne gleichmäßig auf beide Sender verteilt ist. Ein Ausfall eines der beiden Sender oder der ihm zugeordneten Schaltungen hat nur die Wirkung, die Höhe der der Antenne zugeführten Gesamtleistung zu vermindern. Ein solcher Ausfall führt jedoch nicht zu einer Verschiebung der Lage des von der Antenne 23 gesendeten Strahls. Daher wird jede Möglichkeit einer unerwünschten Verlagerung des von der Antenne ausgesendeten Strahls eliminiert. Weiterhin wird durch diese Technik der Leistungskombination die Leistung in den Hohlleitern auf einen Wert begrenzt, der niemals die Spitzenleistung der einzelnen Sender übersteigt. Daher ermöglicht die Erfindung im Vergleich zu üblichen Vorrichtungen zur Leistungsaddition eine Erhöhung der von der Antenne 23 abgegebenen Spitzenleistung bei Verwendung von Hohlleitern üblicher Größe. Wie bereits früher festgestellt, kann jedes Vielfache von zwei Sendern nach der Erfindung kombiniert werden, so daß sich eine erhöhte Ausgangsleistung ergibt. Die Ausgangssignale der Sender können in der gleichen Weise wie Α/Φ und B/Jl geteilt und kombiniert werden, so daß die Ausleuchtung der Antenne gleichmäßig auf alle Sender verteilt ist.

Das Diagramm nach F i g. 2 enthält eine Kurvenschar, die die Verluste an abgestrahlter Leistung in Abhängigkeit von Unterschieden in der Leistung und/oder Phase zwischen zwei Sendern A und B darstellen. Wenn auch das Diagramm nach F i g. 2 die Ergebnisse wiedergibt, die bei der kohärenten Addition der Ausgangssignale zweier im /C„-Band arbeitenden Leistungsverstärker einer bestimmten Ausführung wiedergibt, versteht es sich, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern mit gleichem Vorteil in Verbindung mit beliebigen Leistungsverstärkern in anderen Frequenzbändern Anwendung finden kann, beispielsweise mit zwei im AT-Band arbeitenden Leistungsverstärkern. Die Kurven des Diagramms nach F i g. 2 veranschaulichen die Wirkungen von Phasenverschiebungen zwischen 0 und 90° zwischen den Ausgangssignalen der Sender A und B.

Da der obere und der untere Pfad der Anordnung nach F i g. 1 symmetrisch sind, sind die Ausgangsspannungen der Zirkulatoren 17 und 18 identisch und gleich /4/2/Φ und B/2[0_, während die Spannung an den abgeschlossenen Ausgängen gleich Α/2/Φ — B/2/0_ ist. Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, daß bei gleicher Amplitude und einer relativen Phasendifferenz von 0°, d. h. bei A-B und Φ = 0, die Ausgangsleistung an den Anschlüssen 23c und 23d den Wert (A/2 + B/2)² = A² aufweist, während der Leistungsverlust an den Anschlüssen (A/2 - B/2)² = 0 beträgt.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung sei angenommen, daß infolge eines Fehlers in einer Drehkopplung die Leistung in dem entsprechenden Zweig um 2 db abfällt und eine Phasenverschiebung von 30' entsteht. Die Auswirkung dieses Fehlers ergibt sich aus folgender Rechnung:

Φ = 30°; 10 log —^ = 2db.
B = 0,79 A ,

B²

= Ke = τ 0 ZO +0,79/JO)

(1,73/Jl)

= 0,866 A/JJ,
P₁₅ = P₁₆ = 0,75 A²,
Verlust an abgestrahlter Leistung

0,75 A²

= .1,25 db.

Der im Diagramm nach Fi g. 2 angekreuzte Punkt zeigt an, daß bei einer Leistungsverminderung von 2 db infolge eines Fehlers in einem der beiden Sender oder der ihm zugeordneten Schaltung in Verbindung mit einem Phasenfehler von 30° in dem übertragenen Signal eine Leistungsverminderung von nur 1,25 db auftreten würde.

Wie bereits oben erwähnt, können statt zwei auch ganze Vielfache von zwei Sendern auf die erfindungsgemäße Weise kombiniert werden, und es ist möglich, die Erfindung in allen Mikrowellen-Frequenzbändern anzuwenden. Dementsprechend können auch die einzelnen Komponenten so ausgebildet sein, wie es für die einzelnen Frequenzbänder am günstigsten ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Addition von kohärenten Mikrowellensignalen, vorzugsweise hoher Leistung, mit einer Hybridanordnung in Form von vier

in einem geschlossenen Ring angeordneten Hybriden, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Hybride (13 bzw. 14) des Ringes je eine erste bzw. zweite elektromagnetische Welle auf einen ersten und einen zweiten bzw. einen dritten und einen vierten Signalpfad verteilen, die dritte Hybride (15) des Ringes die auf den ersten und den dritten Signalpfad verteilten elektromagnetischen Wellen und die vierte Hybride (16) die auf den zweiten und den vierten Signalpfad verteilten elektromagnetischen Wellen zusammenfaßt, daß mit der dritten und der vierten Hybride (15 bzw. 16) des Ringes nicht reziproke Schaltelemente (17 und 18), die entsprechende Signalwege für die erste und die zweite kombinierte elektromagnetische Welle bilden, verbunden sind und weiterhin mit den nicht reziproken Schaltelementen eine zweite Hybridanordnung (19, 20) gekoppelt ist, die die erste und die zweite kombinierte Welle teilt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste und eine zweite rotierende Vorrichtung (11 bzw. 12) zum Empfang elektromagnetischer Wellen von einer entsprechenden ersten und zweiten Mikrowellensignalquelle (24 bzw. 25) aufweist, daß mit je einer der beiden rotierenden Vorrichtungen die erste und die zweite Hybride (13 bzw. 14) der einen Ring bildenden Hybridanordnung gekoppelt ist, daß die zweite Hybridanordnung eine fünfte und eine sechste Hybride (19 bzw. 20) umfaßt, die elektromagnetische Wellen einer Antenne (23) zuführen und auch von ihr abführen, daß eine siebente Hybride (22) zwischen der fünften und der sechsten Hybride angeordnet ist, um von der Antenne empfangene Energie weiterzuleiten, daß zwischen der dritten und der fünften Hybride (15 bzw. 19) ein erster Zirkulator (17) angeordnet ist, der der fünften Hybride elektromagnetische Wellen zuführt und auch von ihr abführt, daß zwischen der vierten und der sechsten Hybride (16 bzw. 20) ein zweiter Zirkulator (18) angeordnet ist, der der sechsten Hybride elektromagnetische Energie zuführt und auch von ihr abführt, und daß zwischen den beiden Zirkulatoren (17 und 18) eine achte Hybride (21) eingeschaltet ist, die von der Antenne zugeführte elektromagnetische Energie weiterleitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen