DE1926498A1 - Verfahren zur automatischen Nachfuehrung des Richtstrahls einer Phased-Array-Antenne - Google Patents

Verfahren zur automatischen Nachfuehrung des Richtstrahls einer Phased-Array-Antenne

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Description

Verfahren zur automatischen Nachführung des Richtstrahls einer Phased-Array-Antenne. -.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Nachführung des Richtstrahls einer Phased-Array-Antenne, die aus in einer Ebene in zueinander jeweils parallelen Reihen und Kolonnen angeordneten Moduln besteht, deren Signalausgänge bei der Schaltung der Antenne als Empfangsantenne (bei Verwendung als Sendeantenne sind dies die Signaleingänge) zusammengeschaltel; sind und von denen jeder eine durch eine Steuerspannung in ihrer Laufzeit veränderbare Verzögerungsleitung in der Radiofrequenz (RF)- oder tfwischenfrequenzlage (ZF) aufweist, auf eine bewegliche Strahlungsquelle (Tracking).
Richtantennen mit Zusatzeinrichtungen zur automatischen Nachführung eines Richtstrahls auf eine sich bewegende Strahlungsquelle (Tracking) sind bekannt. Viele dieser bekannten Verfahren sind auch bei Phased-Array-Antennen verwendbar, wobei dann als umfangreiches Zwischenglied ein zumeist auf digitaler Basis arbeitender Rechner fungiert, der die nötigen Befehle für die jeweils verschiedenen Signalverzögerungen in den Einzelelementen liefert. Bei vielen Anwendungen, z.B. beim Funkverkehr zwischen Satelliten und Flugzeugen bzw. Schiffen oder bei Bordgeräten für die Sekundärradartechnik würde jedoch einerseits dieser Aufwand Wegen der Kosten des Volumens und· des Gewichts zu umfangreich, während andererseits dort die Anforderungen an den Antennengewinn und die Exaktheit der Nachführung nicht so groß sind. Da auch mechanisch drehbare Kachführantennen wegen des Aufwandes und auch häufig wegen ihrer technischen 'Ausführung in diesen Fällen unbrauchbar sind, besteht die
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Aufgabe, eine einfache Phased-Array-Antenne zu schaffen, deren R^ichtstrahlnachführautomatik ohne Einsatz von Rechnern betätigt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird dies in einfacher V/eise dadurch erreicht, daß jeweils ein Teil der Ausgangs spannungen der -Moduln - entkoppelt von dem dem Empfänger zugeführten Nutzsignal - so zusammengeschaltet v/ird, daß in der Richtung der Reihen sowie in derjenigen der Kolonnen die Signale einerseits der geradzahligen und andererseits der ungeradzahligen Moduln zusammen-
. gefaßt werden und sich somit für die Richtungen der Reihen und der Kolonnen jeweils zv/ei Ausgänge ergeben, daß die an den zv/ui Ausgängen pro Richtung der Moduln anfallenden Signale jeweils den beiden Eingängen eines Phasendiskriminators zugeführt werden und daß von jedem der Phasendiskriminatoren eine abhängig vom Vorzeichen des Einfallswinkels des anfallenden Signals positive oder negative Gleichspannung abgegeben v/ird, von der jeweils ein verschiedener Anteil als Steuerspannung für die Verzögerungsleitungen der Moduln in der zugehörigen Reihe bzwο Kolonne verwendet v/ird, so daß ein geschlossener Regelkreis entsteht, der im Gleichgewicht ist, wenn die Ausgangssignale aller Einzelmoduln in Pliase sind. Je nach der räumlichen Lage einer empfangenen Wellenfront addieren sich bei gleicher Lauf-
) zeit der Verzögerungsglieder die, zusammengefaßten Ausgangssignale vektoriell an den Ausgängen der Reihen und Kolonnen in ähnlicher Weise. Durch die Versetzung der Gruppen jeweils um den Modulabstand in der Richtung der Kolonnen wie auch in der Richtung der Reihen ist jedoch die Phase der jeweils einem Phasendiskriminator zugeführten Summensignale von den Neigungswinkeln in der Richtung der Reihen und Aex Richtung der Kolonnen zwischen der Array-Ebene und der Wellenfrontebene abhängig.. Eine Voraussetzung für das einwandfreie Arbeiten der Phased-Array -Antenne ibt in diesem Zusammenhang die gegenseitige Entkopplung aller jstrahlerelemente.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
AIa Beispiel ist eine Flächenantenne mit 6x6 Elementen benutzt, wobei die Kolonnen und Reihen senkrecht zueinander in x- und y-Richtung angeordnet sind. Jeder Modul der Phased-Arra.y-Antenne besitzt eine Verzögerungsleitung L in der Radiofrequenz (RF)- oder Zwiachenfrequenz (ZF)-Ebene. Im letzteren Fall wird die Zwischenfrequenz durch Umsetzung mit einem gemeinsamen Umsetzergenerator bei jeweils gleichphasiger Einspeisung gebildet. Die L£iufzeit der Verzögerungsglieder 1 wird mit einer Gleichspannung im wesentlichen proportional zu dieser geändert. Die Moduln sind zur besseren Übersicht in der Figur jeweils zweimal dargestellt, nämlich in einer oberen und einer unteren Array-Konfiguration. Das obere Array erhält symbolhaft die steuerbaren Verzögerungsleitungen L, das untere die übrigen Modulkomponenten M mit jeweils zwei Signalausgängen. Diese awei üignalausgünge sind insgesamt zu einem Ausgang A zusammengefaßt, an dem das Antennensignal für den Empfänger abgenommen wird. In der* wirklichen Anordnung sind die Anteile, die oben und unten am gleichen Ort innerhalb ihres Arrays dargestellt sind, Bestandteile ein und desselben Moduls. Im unteren Teil der Figur sind die Ausgänge, die in x-Richtung zusammengeschaltet sind, mit χ bezeichnet. Entsprechendes gilt für die y-Richtung. In beiden Richtungen sind für alle Reihen (Index n) die entsprechenden Ausgänge der geradzahligen (xn2> xn4* xn6 ^zv/c yn2s yn4' yn6* b2V/* ungeradzahligen Uni» x n·}' *n5 bzw- ^'n"! ' yn3' yn5^ ^oduln zusammengefaßt. Die Signale der beiden x-Gruppen werden einem Phasendiskriminator P1 der x-Richtung, diejenigen der beiden y-Gruppen einem gleichartigen Diskriminator P2 der y-Richtung zugeführt. Die Eingänge zu den Phasendiskriininatoren P1 und P2 sind durch Entkoppelverstärker E vom Ausgang A entkoppelt. Die von den Diskrirainatoren Pi und P2. gelieferten Gleichspannungen werden in zwei Verstärkern VI für die x-Richtung und V2 für die y-Richtung verstärkt und über
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zwei gemeinsam betätigte Schalter S an die Steuereingänge der , Verzögerungsleitungen L, die im oberen Teil der Figur dargestellt sind, gelegt. ■
Die von den Verstärkern V1 und V2 gelieferten Steuerspannungen werden jeweils in einem Spannungsteiler, bestehend aus der Hintereinanderschaltung gleicher Widerstände R, geteilt und an den Abgriffen je nach Lage eines solchen, in Stufen linear ansteigend abgegriffen. Für beide Richtungen versorgt je ein Abgriff eine Reihe von Steuereingängen«. Die jeweils für die x- und y-Richtung an einen Modul gelieferte Spannung wird dort addiert und gemeinsam der Verzögerungsleitung I dieses Moduls als Steuerspannung zugeführt.
Durch die Anwendung der Spannungsteiler und die Tatsache, daß der Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Gruppenlaufzeit der unter sich gleichen Verzögerungsleitungen L nahezu linear ist, wird erreicht, daß man ein Strahlungsdiagramm mit näherungsweise optimaler Bündelung, unabhängig von den beiden Steuerspannungen, erhält. Die Größe der x- und y-Steuerspannung bestimmt nur die Richtung des Strahlenbündels in Bezug auf die Array-Ebene.
Ein senkrecht auf die Array-Ebene einfallendes Signal liefert eine an allen Modulausgängen gleichphasige Signalspannung. Beide Phasendiskriminatoren P1 und P2 liefern keine Spannungen und der Regelkreis ist im Gleichgewicht. Y/andert nun die Y/el~ lenfront in ihrer Richtung aus, so addieren sich die Spannungen der jeweils zusammengefaßten Moduln'nicht mehr linear, sondern vektoriell. Zwischen den Summenspannungen der beiden zu einem Diskriminator P1 oder P2 geführten Leitungen besteht dann durch den 'Gruppenversatz je nach der l/inkelabweichung der Wellenfront in x- bzw. y-Richtung ein Phasenunterschied, der eine entsprechende Steuerspannung an den Phasendiskriminätor-Ausgängen bewirkt. Bei richtiger Polung der Verstärker V1 und V2 ergibt
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sich eine derartige jeweils verschiedene Veränderung der Laufzeit in den Verzögerungsleitungen L, daß sich wiederum die Spannungen aller Ausgänge nahezu linear addieren. Der.lichtstrahl wird somit nachgeführt. Die Schleifenverstärkung des Regelkreises ist zur Erzielung eines stabilen Verhaltens so groß gewählt", daß zur maximalen Auslenkung des Richtstrahls, "beispielsweise - 60°, in χ- und y-Richtung Ausgangsspannungen der .Phasendiskriininatoren P1 und P2 ausreichen, die bei Phasendifferenzen von wenigen Grad, beispielsweise 3°» entstehen.
Wenn zunächst kein Signal einfällt, verbinden die Schalter S die beiden Steuerleitungen anstelle mit den Ausgängen der Phasendiskriminatoren P1 und P2 mit je einem Generator SGr, die periodisch wechselnde Spannungen verschiedener Frequenz liefern» Sie bewirken, daß der Richtstrahl den. Raum periodisch abtastet» Wenn im Verlauf einer Suchphase am Ausgang ein Signal ausreichender Intensität erscheint, werden die Schalter S mit genügender Schnelligkeit durch eine Schaltanordnung B umgeschaltet, so daß der Nachführvorgang eingeleitet wird.
Mit sinkender Bandbreite der Zuleitungskanäle zu den Diskriminatoren wird die Empfindlichkeit der Nachführung gegen Rauschen und ähnliche Störungen geringer. Gleichzeitig sinkt zwar damit auch die mögliche STachführgeschwindigk^it, die jedoch auch von den Stabilitätsbedingungen der Regelschleife abhängt« Die Bandbreite der Zuleitungskanäle wird zweckmäßig der spektralen Beschaffenheit des empfangenen Signals angepaßt.
Phased-Array-Antennen lassen sich, außer zum Empfangen auch zum Senden benutzen. Die Moduln haben dann je einen Sende- und einen Empfangssweig, die bei gleicher Sende- und Empfangsfrequenz abwechselnd oder bei unterschiedlicher Sende- und Empfangsfrequens über frequenzweichen an das Strahlerelement .angeschlossen werden. Es sind in diesem Zusammenhang verschiedene Arten der Einschaltung der steuerbaren Verzögerungsleitungen möglich. Es können getrennte Sende- und Empfangsantennen :
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mit je einem Satz Verzögerungsleitungen entweder in der RP-qder der ZP-Ebene Verwendung finden. Dabei werden die sich während des Nachführvorgangs einpfangsseitig ergebenden Steuerspannungen für die Verzögerungsleitungen der Erapfänger-Array-Antenne ebenfalls den entsprechenden Verzögerungsleitungen der Sender-Arr&y-lntenne zugeführt. Bei gleicher Sende- und Empfangsfrequenz und abwechselndem Betrieb von Sender und Empfänger muß der sich beim Empfang ergebende Steuerspannungswert jedoch zum Zwecke des späteren Sendens in die Empfangsrichtung gespeichert werden. Wird eine gemeinsame Phased-Array-Antenne suin Empfangen und Senden benutzt, so läßt sich beispielsweise in den ZP-Teilen des Senders und des Empfängers jeweils.ein Satz Verzögerungsleitungen unterbringen oder auch ein gemeinsamer Satz Verzögerungsleitungen in der Mikrowellenebene (BF-Bbene)= Es gibt auch Anordnungen mit Umsetzertechniks die zum Senden wie zum Empfangen einen gemeinsamen ZwischezjLfrecguenztell haben, der auch eine gemeinsame Verzögerungsleitung enthält= In allen diesen Fällen ist es nach der Erfindung"möglich, bei Verwendung gleicher Sende- und Empfangsfrequenz anschließend an einen Empfangsvo^aui.; :-it, entsprechend nachgeführten Richtantennen- -in eben diese Lichtung zu sendan, wenn die helm-Empfang voriiandenen Nachführsteuerspannungen der verschiedenen Sichtungen in einem beliebigen, bekannten Speicher bis zum Sendevorgang gespeichert und während der Sendung an die Spannungsteiler gelegt werden» Im ausgeführten Beispiel erfolgt die Speicherung in einem Speicher C, von dem die gespeicherten Steuerrspannungswerte für die spezielle Richtung nach einem vom St euere ingang D gegebenen Sendebefehl über die Schalter S abgerufen werden=
11 Patentansprüche
1 Pigur
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ORiGJNAL INSPECTED

Claims (11)

  1. Pat e .η t.a^n s^p.r ü cJreiri^
    Verfahren zur automatischen Kachführung des lichtstrahls einer Phased-Array-Antenne, die aus in einer Ebene in zueinander jeweils parallelen Reihen und Kolonnen angeordneten Moduln besteht, deren Signalausgänge bei der Schaltung der Antenne als Empfangsantenne (bei Verwendung als Sendeantenne sind dies die Signaleingänge) zusammengeschaltet sind, von denen jeder eine durch eine Steuerspannung in ihrer Laufzeit veränderbare Verzögerungsleitung in der Radiofrequenz (RF)- oder Zwischenfrequenzlage (ZP) aufweist, auf eine bewegliche Strahlungsquelle(Tracking), dadurch gekennzeichnet , daß jeweils ein Teil der Ausgangsspannungen der Moduln - entkoppelt von de.n dem Empfänger zugeführten Nutzsignal - so zusammengeschaltet wird, daß in der Richtung der Reihen sowie in derjenigen der Kolonnen die Signale einerseits der geradzahligen und andererseits der ungeradzahligen Moduln zusammengefaßt werden und sich somit für die Richtungen der Reihen und der Kolonnen jeweils zwei Ausgänge . ergeben, daß die an den zwei Ausgängen pro Richtung der Moduln anfallenden Signale jeweils den beiden Eingängen eines Phasendiskriminators zugeführt werden und daß von jedem der Phasendiskriminatoren eine abhängig vom Vorzeichen des Einfallswinkels des einfallenden Signals positive oder negative Gleichspannung abgegeben wird, von der jeweils ein verschiedener Anteil als Steuerspannung für die Verzögerungsleitungen der Moduln in der zugehörigen Reihe bzw. Kolonne verwendet wird, so daß ein geschlossener Regelkreis entsteht, der im Gleichgewicht ist, wenn die Ausgangssignale aller Einzelmoduln in Phase sind.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß beim übergang vom Empfangen zum Senden in die gleiche Richtung und Verwendung gleicher Frequenz für das Senden und Empfangen die sich während der Empfangs-
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    phase ergebenden Steuerspannungen für die Verzögerungsleitungen für den nachfolgend eingeschalteten Sendevorgang gespeichert werden.
  3. 3« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet , da/3, bei Fehlen eines Empfangssignals die Steuerleitungen für die Steuerspannungen der Verzögerungsleitungen anstelle mit den Ausgängen der Phasendiskriminatoren mit je einem eine periodisch wechselnde Spannung verschiedener Frequenz liefernden Spannungsgenerator verbunden werden (Suchphase).
  4. 4.- Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekenn ζ ei chne t , daß bei Auftreten eines einen festgelegten Amplitudenschwellwert überschreitenden Signals an dem zur Anschaltung an den Empfänger vorgesehenen Ausgang der zusammengeschalteten Moduln in der Suchphase, während welcher der Spannungsgenerator angeschaltet ist, eine Schaltanordnung die Zuführung der Spannung aus dem Spannungsgenerator zu den Verzögerungsleitungen mit entsprechender Schnelligkeit abschaltet und den Regelkreis einschaltet, so daß der Nachführvorgang eingeleitet wird..
  5. 5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Zuleitungskanäle zu den Phasendiskriminatoren der spektralen Beschaffenheit des empfangenen Tracking-Signalsangepaßt ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet , , daß die Laufzeit der reziproken Verzögerungsleitungen im wesentlichen proportional zur Steuergleichspannungsänderung geändert wird.
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  7. 7« Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die von den . Phasendiskriminatoren abgeleiteten Steuerspannungen, jeweils in einem Spannungsteiler, "bestehend aus der Hintereinanderschaltung gleicher Widerstände, geteilt werden und an den Abgriffen, je nach der lage eines solchen, in Stufen line'ar ansteigend abgegriffen werden, daß für die Richtungen der Reihen und Kolonnen je ein Abgriff die Steuereingänge der Moduln einer Reihe bzw. einer Kolonne versorgt und daß sich die gesamte Steuerspannung für die Verzögerungsleitungen der einzelnen Moduln je aus einer Komponente der Spannungsteiler für die Reihenrichtung und für die Kolonnenrichtung zusammensetzt. . .
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schleifenverstärkung im Nachführungsregelkreis so groß gewählt wird, daß zur maximalen Auslenkung (z.B. ± 60°) des Strahls Ausgangsspannungen der Phasendiskriminatoren ausreichen, die bei Phasendifferenzen von wenigen Grad (a.B. 3°) entstehen.
  9. 9= Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß nach den Phasendiskriminatoren (Pl5 P2). Verstärker (V1 ,V2) eingeschaltet sind.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, d a d u r oh gel: e η η -zeichnet , daß die Kolonnen und Reihen senkrecht zueinander verlaufen (x- und y-dichtung).
  11. 11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, da durch g e -
    ; kennzeichne t . , daß der Modula"bstand eine halbe . Wellenlänge des zu empfangenden bzw. auszusendenden Signals • " beträgt- . " .
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