DE19636850A1 - Phasengesteuerte Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer phasengesteuerten Antenne nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.

Solche Antennen, insbesondere für Radaranwendungen, sind bekannt, beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE-A 38 03 779 sowie DE-A 39 02 739. Die dort beschriebenen An­ ordnungen bestehen im wesentlichen aus einer Vielzahl von Sende-/Empfangsstrahlerelementen, die zeilen- oder matrix­ förmig angeordnet sind. Diese Sende-/Empfangsstrahlerelemen­ te sind über eine Phasenschieberanordnung, ein Verteiler­ netzwerk sowie einen Sende-/Empfangsumschalter, einen Zirku­ lator, an eine an sich bekannte Sende-/Empfangsanordnung an­ geschlossen. Dabei dient das Verteilernetzwerk sowie die Phasenschieberanordnung zur elektronischen Formung und/oder Schwenkung einer Sende-/Empfangskeule. Durch den Sende-/Em­ pfangsumschalter wird eine Entkopplung der Sende- und Emp­ fangssignale erreicht.

Eine derartige Anordnung ist in nachteiliger Weise technisch aufwendig, da eine Vielzahl aufwendiger Bauelemente erfor­ derlich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Anordnung dahingehend zu verbessern, daß eine Verwendung technisch aufwendiger Bauelemente, insbesondere des Zirkulators, entfällt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Die Erfindung beruht auf der Verwendung einer Serien-Spei­ seleitung, die mehrere Ein/Auskoppelstellen zur Ein/Aus­ kopplung der verwendeten Sende-/Empfangssignale besitzt und außerdem zwei Tore zur Ankopplung der Sende- sowie der Emp­ fangsanordnung. Mit einer solchen Serien-Speiseleitung und einem daran angekoppelten Verteiler- und Phasenstellernetz­ werk ist in überraschender Weise ein Sende-/Empfangsumschal­ tung möglich, ohne daß ein gesonderter Sende-/Empfangsum­ schalter, insbesondere ein Zirkulator, nötig ist. Eine Se­ rien-Speiseleitung besteht aus einem für die verwendeten Sende-/Empfangswellenlängen geeigneten Wellenleiter, bei­ spielsweise einem Hohlleiter, bei dem in der Ausbreitungs­ richtung der geführten Welle in vorgebbaren, äquidistanten Abständen eine vorgebbare Anzahl von Koppelstellen, bei­ spielsweise Koppelschlitze, angeordnet sind. Damit ist es beispielsweise im Sendefall möglich, ein in dem Wellenlei­ ter geführtes Sendesignal in eine vorgebbare Anzahl, welche der Anzahl der Koppelstellen entspricht, von Einzel-Sende­ signalen mit vorgebbarer Sendeleistung aufzuteilen. Diese ist insbesondere von der Ausgestaltung der Koppelstellen abhängig, was einem Fachmann geläufig ist. Diese Einzel-Sende­ signale, die beispielsweise einer vollständigen Zeile von Strahlerelementen zugeordnet sind, werden dann über Verteiler- und Phasenstellernetzwerke den einzelnen Sen­ de-/Empfangsstrahlerelementen zugeleitet.

Bei der Erfindung wird nun die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Funktion einer solchen Serien-Speiseleitung, insbeson­ dere die Ausbreitungsrichtung der geführten Welle, von den an den Koppelstellen vorhandenen Amplituden- und/oder Pha­ senbeziehungen abhängt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren näher erläutert. Diese zeigen schematisch dargestellte Verteilernetzwerke.

Fig. 1 zeigt einen Wellenleiter WE, beispielsweise einen Hohlleiter mit rechteckförmigem Querschnitt für den 5-GHz- Bereich. Der Wellenleiter WE hat zwei Tore T1, T2 und eine vorgebbare Anzahl von Schlitzen S1 bis Sn, wobei n eine vorgebbare ganze Zahl ist. Die Schlitze S1 bis Sn sind als Ein-/Auskoppelschlitze ausgebildet für die im Wellenleiter WE geführte Welle (Wellenlänge λ) und haben in der Längsrichtung des Wellenleiter WE (Ausbreitungsrichtung der Wel­ le) eine Abstand von ca. λ/2. An jedem der Ein-/Auskoppel­ schlitze S1 bis Sn ist ein zugehöriger Verbindungswellen­ leiter VW1 bis VWn (Verbindungshohlleiter) angekoppelt. Diese führen zu nicht dargestellten, aber aus den eingangs genannten Druckschriften an sich bekannten Phasensteller-Netz­ werken, die mit PHN bezeichnet sind. An diese sind dann, entsprechend den eingangs genannten Druckschriften, die Sende-/Empfangsstrahlerelemente angeschlossen. Wird nun beispielsweise ein Sendesignal als fortlaufende Welle in das Tor 1 eingekoppelt, so werden an den Ein-/Auskoppel­ schlitzen S1 bis Sn Anteile ausgekoppelt und über die Ver­ bindungswellenleiter VW1 bis VWn sowie die Phasensteller an die Sende-/Empfangsstrahlerelemente geleitet. Mittels der Phasensteller ist dann in bekannter Weise eine Schwenkung der Sendekeule (Sendecharakteristik) möglich.

Im Empfangsfall wird nun das von den Sende-/Empfangsstrah­ lerelemente empfangene Signal, beispielsweise die zu dem Sendesignal gehörenden Echosignale, über die Phasensteller des Phasen-Netzwerkes sowie die Verbindungswellenleiter VW1 bis VWn in den Wellenleiter WE geleitet. Es ist nun vor­ teilhafterweise möglich, die Phasensteller in diesem Emp­ fangsfall derart einzustellen, daß das in dem Wellenleiter WE entstehende Empfangssignal an dem zweiten Tor T2 auskop­ pelbar ist. An dem ersten Tor T1 entsteht allenfalls ein vernachlässigbarer (Reflexions-)Anteil. Das an dem zweiten Tor T2 entstandene Empfangssignal wird dann in an sich be­ kannter Weise, beispielsweise über Hohlleiter, an einen (Radar-)Empfänger geleitet und dort ausgewertet.

In der beschriebenen Weise ist also eine Trennung des Sen­ designals, das in das erste Tor T1 eingekoppelt wird, von dem Empfangssignal, das aus dem zweiten Tor T2 ausgekoppelt wird, möglich, ohne daß ein zusätzlicher Sende-/Empfangs­ umschalter, beispielsweise ein Zirkulator, verwendet wird. Der beschriebene Sende-/Empfangs-Umschaltvorgang erfolgt allein durch eine Verstellung der Phasensteller um Werte, die von der Phasenprogression der Serien-Speiseleitung und dem einzustellenden Elevations-Schwenkwinkel der Strahl­ charakteristik abhängen; die entsprechende Berechnung ist dem Fachmann geläufig.

Es ist ersichtlich, daß die beschriebene Anordnung mit ei­ ner Vielzahl von Wellenleitern, beispielsweise in sogenann­ ter Stripline- oder Mikrostrip- oder Koaxial-Technologie, herstellbar ist.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem zwei Teiler-Netz­ werke TN1, TN2 symmetrisch angeordnet sind bezüglich einer Symmetrielinie SY. Jedes der Teiler-Netzwerke TN1, TN2 ist beispielsweise entsprechend Fig. 1 aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß jeweils ein einziger Ein-/Auskop­ pelanschluß EA1, EA2 vorhanden ist. Diese Ein-/Auskoppel­ anschlüsse entsprechen beispielsweise dem Tor T1 (Fig. 1), wobei das Tor T2 (Fig. 1) mit einem Abschlußwiderstand (HF-Sumpf) abgeschlossen ist. Die Teiler-Netzwerke TN1, TN2 sind, wie anhand Fig. 1 beschrieben, über Phasensteller-Netz­ werke PHN mit Sende-/Empfangsstrahlerelementen gekop­ pelt. Die Ein-/Auskoppelanschlüsse EA1, EA2 sind an Tore eines Koppler KO angeschlossen, der als 3 dB-Hybrid ausge­ bildet ist, beispielsweise als sogenanntes "magisches T" oder als 3 dB-Richtkoppler. Dieser Koppler KO besitzt au­ ßerdem ein (Sende-)Tor T1 sowie ein (Empfangs-)Tor T2, de­ ren Funktion bereits anhand Fig. 1 beschrieben wurde. Die anhand der Fig. 2 beschriebene Anordnung entspricht in der (Radar-)Antennentechnik einer Anordnung zur Erzeugung von Summen-/Differenzdiagrammen. Mit der beschriebenen Anord­ nung ist es beispielsweise möglich bei einem in Tor T1 ein­ gekoppelten Sendesignal die Phasensteller derart einzustel­ len, daß von den Sende-/Empfangsstrahlerelementen ein aus der Radartechnologie bekanntes Summendiagramm ausgesandt (abgestrahlt) wird. Im Empfangsfall ist es, wie anhand Fig. 1 beschrieben, ebenfalls möglich, die Phasensteller derart einzustellen, daß das Empfangssignal des selben Summendia­ gramms an Tor T2 ausgekoppelt werden kann. Die dazu nötige Umstellung der Phasensteller beträgt 180° in einer der bei­ den Hälften des PhaSensteller-Netzwerkes. Dabei ist zwi­ schen den Toren T1, T2 eine erwünscht hohe Entkopplung, beispielsweise größer 20 dB, herstellbar, wenn der Koppler KO (Hybrid) bei reflexionsfreiem Abschluß eine entsprechend hohe Entkopplung besitzt und außerdem darauf geachtet wird, daß die in Fig. 2 dargestellte Anordnung bezüglich der ge­ führten Wellen symmetrisch aufgebaut ist und außerdem mög­ lichst geringe Reflexionsfaktoren besitzt. Die beschriebene Anordnung ist vorteilhafterweise ebenfalls in unterschied­ licher Leitungstechnologie herstellbar, wie bereits anhand Fig. 1 beschrieben.

Das Beispiel entsprechend Fig. 3 unterscheidet sich von demjenigen entsprechend Fig. 2 lediglich durch das An­ schlußschema der Sende-/Empfangsstrahlerelemente. Im Gegen­ satz zu Fig. 2, wo die eine Hälfte der Sende-/Empfangs­ strahlerelemente vollständig an ein Teilernetzwerk TN1, TN2 angeschlossen ist, erfolgt bei der Anordnung gemäß Fig. 3 eine Art alternierender Anschluß. Dabei werden bei fortlau­ fend numerierten Sende-/Empfangsstrahlerelementen alle un­ radzahligen Sende-/Empfangsstrahlerelemente an ein Tei­ lernetzwerk, beispielsweise TN1, angekoppelt und alle ge­ radzahligen an das andere, hier TN2. Durch diese verzahnte Ankopplung ist es möglich, für ein Empfangssignal an Tor T1 ein Summendiagramm zu erzeugen, während ein an Tor T2 aus­ gekoppeltes Signal nicht einem Differenzdiagramm ent­ spricht. Auch diese Anordnung ist vorteilhafterweise in den bereits erwähnten Technologien herstellbar.

Bei den beschriebenen Beispielen müssen lediglich die Pha­ sensteller (Phasenschieber) von Senden auf Empfangen oder umgekehrt umgeschaltet werden. Für derartige Phasenum­ schaltvorgänge ist eine Vielzahl derzeit üblicher Phasen­ steller geeinet, beispielsweise Verzögerungsleitungen. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn bereits nichtre­ ziproke Phasensteller (Ferrit-Phasenschieber) in der Sen­ de-/Empfangsanordnung verwendet werden, da diese Phasenstel­ ler bei jedem Sende-/Empfangs-Umschaltvorgang umgeschaltet werden müssen. Bei diesem Umschaltvorgang ist dann die be­ schriebene zusätzliche Phasenverstellung ohne mehr Aufwand durchführbar.

Claims (10)

1. Phasengesteuerte Antenne, zumindest bestehend aus

• - mehreren zeilen- und spaltenförmig angeordneten Sende-/Em­ pfangs-Strahlerelementen,
• - einem Verteiler- und Phasensteller-Netzwerk zur Erzeu­ gung vorgebbarer Sende-/Empfangscharakteristiken der von den Sende-/Empfangs-Strahlerelementen ausgesandten und/oder empfangenen Signale sowie
• - einer Sende-/Empfangsumschaltung zum wahlweisen An­ schluß des Verteiler- und Phasensteller-Netzwerkes an eine Sende- und/oder Empfangsanordnung, dadurch gekenn­ zeichnet,
• - daß für die Sende-/Empfangsumschaltung eine Serienspei­ sung vorhanden ist, bestehend aus einem Wellenleiter (WE), der an seinem einen Ende ein erstes Tor (T1) und an seinem anderen Ende ein zweites Tor (T2) besitzt, wobei an das erste Tor (T1) die Sendeanordnung und an das zweite Tor (T2) die Empfangsanordnung ankoppelbar sind,
• - daß der Wellenleiter (WE) in seiner Längsrichtung eine vorgebbare Anzahl von Ein-/Auskoppelstellen (S1 bis Sn) besitzt zur Ein-/Auskopplung der in dem Wellenleiter (WE) führbaren Welle und
• - daß an jeden der Ein-/Auskoppelstellen (S1 bis Sn) ein Verbindungswellenleiter (VW1 bis VWn) angekoppelt ist zur Verbindung des Wellenleiters (WE) mit dem Vertei­ ler- und Phasensteller-Netzwerk (PHN).

2. Phasengesteuerte Antenne, zumindest bestehend aus

• - mehreren zeilen- und spaltenförmig angeordneten Sende-/Em­ pfangs-Strahlerelementen,
• - einem Verteiler- und Phasensteller-Netzwerk zur Erzeu­ gung vorgebbarer Sende-/Empfangscharakteristiken der von den Sende-/Empfangs-Strahlerelementen ausgesandten und/oder empfangenen Signale sowie
• - einer Sende-/Empfangsumschaltung zum wahlweisen An­ schluß des Verteiler- und Phasensteller-Netzwerkes an eine Sende- und/oder Empfangsanordnung, dadurch gekenn­ zeichnet,
• - daß für die Sende-/Empfangsumschaltung mindestens zwei Teilnetzwerke (TN1, TN2) vorhanden sind,
• - daß jedes Teilnetzwerk (TN1, TN2) eine Serien- oder Parallel-Speisung enthält, bestehend aus einem Wellen­ leiter mit einer vorgebbaren Anzahl von Ein-/Auskoppel­ stellen zur Ein-/Auskopplung der in dem Wellenleiter führbaren Wellen,
• - daß an jede der Ein-/Auskoppelstellen ein Verbindungs­ wellenleiter angekoppelbar ist zur Verbindung des Wel­ lenleiters mit einem vorgebbaren Teil des Verteiler- und Phasensteller-Netzwerkes (PHN),
• - daß bei jedem Teilnetzwerk (TN1, TN2) der darin enthal­ tene Wellenleiter einen Anschluß (EA1, EA2) besitzt zur Ankopplung der Teilnetzwerke (TN1, TN2) an Tore eines Koppler (KO) und
• - daß der Koppler (KO) zwei weitere Tore (T1, T2) besitzt zur Ankopplung der Sende- und der Empfangsanordnung.

3. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sende-/Empfangsstrahlerelemente in mindestens zwei vorgebbare Gruppen aufgeteilt sind und daß jeder Gruppe ein Teilnetzwerk (TN1, TN2) zugeordnet ist.

4. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Zuordnung alle Sende-/Empfangs­ strahlerelemente fortlaufend numeriert sind und daß jede Gruppe ebenfalls fortlaufend numerierte Sende-/Empfangs­ strahlerelemente enthält.

5. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß für die Zuordnung alle Sende-/Empfangsstrahlerele­ mente fortlaufend numeriert sind,
• - daß zwei Gruppen vorhanden sind, wobei in einer Gruppe alle ungeradzahligen numerierten Sende-/Empfangsstrah­ lerelemente zusammengefaßt sind und in der anderen Gruppe alle geradzahlig numerierten numerierten Sende-/Em­ pfangsstrahlerelemente.

6. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Koppler (KO) als magisches T aus­ gebildet ist.

7. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Koppler (KO) als 3 dB-Koppler aus­ gebildet ist.

8. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der in einem Teilnetzwerk enthaltene Wellenleiter (WE) ein Hohlleiter ist und daß die Ein-/Auskoppelstellen als Ein-/Auskoppelschlitze ausgebildet sind.

9. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der in einem Teilnetzwerk enthaltene Wellenleiter (WE) sowie die Ein-/Auskoppelschlitze in Streifenleitungstechnik hergestellt sind.

10. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung im Radarfrequenzbereich.