DE19738254A1 - Sende/Empfangsanordnung für eine phasengesteuerte Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Sende/Empfangsanordnung für eine phasengesteuerte Antenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Antenne ("phased array antenna") insbesondere für den Mikrometer- oder Millimeter-Wellenlängen-Bereich, beispielsweise für den Radarbereich. Eine solche Antenne enthält, entsprechend Fig. 2, eine Vielzahl von linien- oder matrixförmig angeord­ neten Sende- und/oder Empfangs-Strahlerelementen STR, die lediglich einen geringen Abstand voneinander haben, bei­ spielsweise einen Abstand von ungefähr λ/2, wobei λ die Sende/Empfangs-Wellenlänge ist. An jedes dieser Sende- und/oder Empfangs-Strahlerelemente STR ist ein Sende/Emp­ fangsmodul T/R (T/R-Modul) unmittelbar gekoppelt, das im allgemeinen zumindest eine Sende/Empfangsweiche (Zirkula­ tor) enthält. Daran angeschlossen sind im allgemeinen ein Sendepfad, der mindestens einen HF-Sendeverstärker PA ent­ hält, sowie ein Empfangspfad, der zumindest einen rauschar­ men HF-Eingangsverstärker LNA ("low noise amplifier") ent­ hält. Außerdem sind in dem T/R-Modul mindestens Sende/Emp­ fangsumschalter SE sowie ein Amplituden- und Phasensteller R, PH vorhanden. Letztere dienen einerseits dazu, die zwi­ schen den einzelnen T/R-Modulen vorhandenen elektrischen (Fertigungs-)Toleranzen auszugleichen und andererseits zur vorgebbaren Einstellung der Amplituden- und Phasenunter­ schiede für die Sende- und/oder Empfangswellen bei benach­ barten Strahlerelementen STR. Damit ist eine elektrische Einstellung und/oder räumliche Schwenkung des Sende/Emp­ fangs-Richtdiagramms der Antenne möglich mittels nicht dar­ gestellter Steuerleitungen (zu den Amplituden- und Phasen­ stellern R, PH sowie den Sende/Empfangsumschaltern SE), die für die weiteren Erläuterungen nicht benötigt werden.

Die T/R-Module T/R sind insbesondere über Hohlleiter oder andere Mikro-/mm-Wellen-Leiter an eine allen T/R-Modulen gemeinsame Zentraleinheit ZE angeschlossen. Diese enthält im wesentlichen ebenfalls einen Sendepfad, welcher durch eine Sende-Oszillator SO dargestellt ist, einen Empfangs­ pfad, welcher einen lokalen Oszillator LO, einen Mischer sowie einen Empfänger enthält, sowie einen zentralen Sen­ de/Empfangsumschalter SEZ. In der Zentraleinheit ist außer­ dem ein nicht dargestelltes Steuerteil vorhanden zur Steue­ rung der Sende/Empfangs-Umschalter SE sowie der Amplituden- und Phasenstellern R, PH in den T/R-Modulen.

Eine solche Anordnung hat insbesondere den Nachteil, daß zur zuverlässigen und reproduzierbaren Erzeugung eines ge­ nauen Sende/Empfangs-Richtdiagrammes eine Einrichtung zur Temperaturregelung der Amplituden- und Phasensteller R, PH in den T/R-Modulen erforderlich ist. Denn nur dann können Störungen, die auf den sogenannten Temperaturgang zurückzu­ führen sind, vermieden werden. Eine solche Einrichtung zur Temperaturregelung in den T/R-Modulen ist in nachteiliger Weise technisch aufwendig, da die T/R-Module im allgemeinen in einem sogenannten Frontend ("aktive Antenne"), das me­ chanisch drehbar angeordnet ist, angeordnet sind.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der verwendete Hohlleiter und/oder das verwendete Hohlleiternetz (Fig. 2) eine hohe elektrische Phasenstabilität aufweisen muß für die darin geführten Mikro- oder mm-Wellen. Derartig Hohl­ leiter sind in nachteiliger Weise technisch aufwendig und daher kostenungünstig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Anordnung dahingehend zu verbessern, daß eine Temperaturregelung in den T/R-Modulen vermieden wird und daß diese räumlich kompakt, mit geringem Gewicht und ko­ stengünstig herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Amplituden- und Phasensteller in einer gemeinsamen Einrich­ tung in der Zentraleinheit zusammengefaßt sind, so daß dort eine genaue, zuverlässige und kostengünstige Temperatursta­ bilisierung möglich ist.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß zumindest die zwi­ schen der Zentraleinheit und den T/R-Modulen vorhandenen Steuerleitungen zur Steuerung der Amplituden- und Phasen­ steller entfallen. Damit werden in vorteilhafter Weise auch keine ansonsten vorhandenen Steuerleitungsverbindungen und/oder -verteilungen mehr in den T/R-Modulen benötigt, wodurch das erwähnte Frontend wesentlich kleiner und zuver­ lässiger gestaltet werden kann.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die zwischen der Zentraleinheit und den T/R-Modulen zu übertragenden HF-Signale mittels Lichtwellenleiter übertragen werden. Diese sind mechanisch robust, leicht, temperaturstabil und ko­ stengünstig herstellbar.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß die in der Zentral­ einheit angeordneten Amplituden- und Phasensteller bei­ spielsweise alternativ als Supraleitungsschaltungen auf niedrigem und konstantem Energieniveau ausgeführt werden können, wodurch eine erhebliche Energieeinsparung insbeson­ dere bei den benötigten Sende- sowie Mischerfrequenz-Oszil­ latoren (lokaler Oszillator) möglich ist, denn Halbleiter-Phasen­ schieber ermöglichen eine Phasenverschiebung von un­ gefähr 60 deg/(dB Dämpfung), Supraleiter ermöglichen dage­ gen eine Phasenverschiebung von ungefähr 500 bis 1000 deg/(dB Dämpfung).

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert unter Bezugnahme auf die schema­ tisch dargestellte Fig. 1.

Diese zeigt eine Zentraleinheit ZE. Diese enthält einen Sende-Oszillator SO, in dem ein bedarfsweise moduliertes Sendesignal erzeugt wird. Dieses gelangt über einen zentra­ len Sende/Empfangsumschalter SEZ auf eine Anordnung von ge­ meinsam angeordneten Amplituden- und Phasenstellern R, PH. Dabei ist im allgemeinen jedem T/R-Modul, im speziellen auch mehreren T/R-Modulen, ein Amplituden- und ein Phasen­ steller R, PH zugeordnet. Diese zentrale, gemeinsame Anord­ nung aller Amplituden- und Phasensteller ist vorteilhafter­ weise genau abgleichbar und temperierbar, da die dafür be­ nötigte Einrichtung im allgemeinen technisch aufwendig ist, aber lediglich einmal benötigt wird. Außerdem kann diese Einrichtung in der Zentraleinheit vorteilhafterweise tech­ nisch aufwendiger und räumlich größer gestaltet werden als in jedem der T/R-Module. Beispielsweise ist es möglich, zu­ mindest die Phasensteller PH als Supraleitungsschaltungen auszuführen, die im allgemeinen zwar eine aufwendige Küh­ leinrichtung benötigen, dafür aber in vorteilhafter Weise einen hohen Phasenstellbereich von ungefähr 500 bis 1000 deg/(dB Dämpfung) besitzen. Es ist weiterhin vorteilhaft, für den in der Zentraleinheit ZE vorhandenen Sende-Oszilla­ tor SO und den lokalen Oszillator LO ebenfalls eine Tempe­ raturstabilisierung durchzuführen, denn dadurch ist eine genaue und elektrisch stabile Erzeugung der entsprechenden Oszillator-Signale möglich. Es ist vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig, die Amplituden- und Phasensteller R, PH sowie die Oszillatoren SO, LO auf derselben Temperatur zu stabilisieren, denn dann wird lediglich eine einzige Ein­ heit zur Temperaturstabilisierung benötigt.

Das (Sende-)Ausgangssignal eines jeden Amplituden- und Pha­ senstellers wird über einen elektro-optischen Wandler EO1 und einen optischen Zirkulator OZ2, beispielsweise einen optischen Richtkoppler, in einen Lichtwellenleiter LWL ein­ gekoppelt. Dieser ist mit einem oder mehreren vorgebba­ rem(n) T/R-Modul(en) verbunden und in diesem(n) an einen optischen Zirkulator OZ1, beispielsweise ebenfalls einen optischen Richtkoppler, angeschlossen. Von diesem gelangt das (optische) Sendesignal über einen opto-elektrischen Wandler OE1, einem diesem nachgeschalteten Sende/Empfangs­ umschalter SE, mindestens einen elektrischen Leistungsver­ stärker PA sowie den Zirkulator an das Sende/Empfangs-Strahler­ element STR.

Entsprechend Fig. 1 gelangen im Empfangsfall die bei einem T/R-Modul an dem Sende- und/oder Empfangs-Strahlerelement STR ankommenden Echosignale über den Zirkulator auf den Empfangspfad. Dieser enthält im wesentlichen einen rausch­ armen Verstärker LNA ("low noise amplifier") und einen die­ sem nachgeschalteten Mischer. Über dessen zweiten Eingang ME2 erhält der Mischer ein in der Amplitude und Phase ver­ änderbares Oszillatorsignal, das in der Zentraleinheit ZE von einem lokalem Oszillator LO erzeugt wird. Mittels die­ ses in der Amplitude und Phase veränderbaren Oszillatorsi­ gnals ist es möglich, für die phasengesteuerte Antenne auch im Empfangsfall ein vorgebbar veränderliches Empfangs-Richt­ diagramm zu erzeugen, da für jeden T/R-Modul ein für diesen vorgebbares, in der Amplitude und der Phase verän­ derbares Oszillatorsignal in der Zentraleinheit ZE erzeugt wird, was nachfolgend noch näher erläutert wird.

Der Mischer erzeugt in einem vorgebbarem Zwischenfrequenz (ZF)-Bereich ein elektrisches ZF-Signal. Dieses wird vor­ zugsweise über einen elektro-optischen Wandler EO2 sowie den optischen Zirkulator OZ1 in den Lichtwellenleiter LWL eingekoppelt und an die Zentraleinheit ZE geleitet. Dort gelangt das (optische) ZF-Signal über den zweiten optischen Zirkulator OZ2 sowie den opto-elektrischen Wandler OE2 an einen (mehrkanaligen) (Radar)Empfänger, in dem in an sich bekannter Weise eine Auswertung der Echosignale erfolgt.

Alternativ hierzu ist es möglich, das in dem Mischer er­ zeugte elektrische ZF-Signal unmittelbar über eine ge­ schirmte Leitung, beispielsweise ein Koaxialkabel, die in­ nerhalb des T/R-Moduls gestrichelt dargestellt ist, an den Empfänger zu übertragen. Diese elektrische Übertragung des ZF-Signales ist dann vorteilhaft, wenn dieses einen höheren Dynamikbereich umfaßt, als mit einer elektro-optischen Wandlung konvertierbar ist (derzeit ungefähr 100 dB).

Das für den im T/R-Modul vorhandenen Mischer erforderliche Oszillatorsignal wird in der Zentraleinheit ZE mittels ei­ nes lokalen Oszillators LO erzeugt. Dieser erzeugt bei ei­ ner vorgebbaren Frequenz ein vorgebbar moduliertes oder un­ moduliertes elektrisches Oszillatorsignal. Dieses gelangt über den zentralen Sende/Empfangsumschalter SEZ an alle Amplituden- und Phasensteller R, PH. Dort erfolgt die für jeden T/R-Modul erforderliche Amplituden- und Phasenein­ stellung, um ein vorgebbares statisches oder dynamisches (schwekbares) Empfangs-Richtdiagramm zu erzeugen. Das am Ausgang der Amplituden- und Phasensteller R, PH vorhandene Oszillatorsignal wird über elektro-optischen Wandler EO1 sowie den optischen Zirkulatoren OZ2 in die Lichtwellenlei­ ter LWL eingekoppelt und damit als optisches Oszillatorsi­ gnal den T/R-Modulen zugeführt. Dort wird das optisches Os­ zillatorsignal über den optischen Zirkulator OZ1 an den op­ to-elektrischen Wandler OE1 geleitet, dort in ein elektri­ sches Oszillatorsignal umgewandelt und über den Sen­ de/Empfangsumschalter an den zweiten Eingang ME2 des Mi­ schers gelegt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele be­ schränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar.

Claims (9)

1. Sende/Empfangsanordnung für eine phasengesteuerte Anten­ ne, zumindest bestehend aus

• - einem Sende/Empfangs-Strahlerelement,
• - einem daran angekoppeltem Sende/Empfangsmodul, das zu­ mindest einen Zirkulator, einen Sendeverstärker, einen rauscharmen Empfangsverstärker, einen Mischer sowie ei­ nen Sende/Empfangs-Umschalter enthält,
• - einer Zentraleinheit zur elektrischen Versorgung von mindestens einem Sende/Empfangsmodul,
• - einem Leitungsnetzwerk zur Ankopplung der Zentraleinheit an mindestens ein Sende/Empfangsmodul und
• - mindestens einem Amplituden- sowie Phasensteller zur Einstellung der Amplitude sowie der Phase der von dem Sende/Empfangs-Strahlerelement ausgesandten und/oder empfangenen Welle,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß die Zentraleinheit zumindest einen Sende-Oszillator (SO) enthält zur Erzeugung eines Sendesignales sowie ei­ nen lokalen Oszillator (LO) zur Erzeugung eines Mischer­ signals,
• - daß der Sende-Oszillator (SO) sowie der lokale Oszilla­ tor (LO) mittels eines zentralen Sende/Empfangsumschal­ ters (SEZ) an alle zentralen Amplituden- sowie Phasen­ steller (R, PH), zur Einstellung der Amplitude sowie der Phase der von den Sende/Empfangs-Strahlerelementen (STR) ausgesandten und/oder empfangenen Welle, gekoppelt sind,
• - daß jeder zentrale Amplituden- sowie Phasensteller (R, PH) zumindest über einen elektro-optischen Wandler (E/O) an einen Lichtwellenleiter (LWL), welcher die Zentral­ einheit (ZE) mit dem Sende/Empfangsmodul (T/R) verbin­ det, gekoppelt ist und
• - daß der Lichtwellenleiter (LWL) in dem Sende/Empfangs­ modul (T/R) über mindestens einen opto-elektrischen Wandler (OE) sowie einen elektro-optischen Wandler (EO) an den Sende- sowie den Empfangspfad angekoppelt ist.

2. Sende/Empfangsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in jedem Sende/Empfangsmodul (T/R) dem elektro-optischen Wandler (EO) ein Sende/Empfangsum­ schalter (SE) nachgeschaltet ist zur bedarfsweisen An­ kopplung des elektro-optischen Wandlers (EO) an den Sen­ depfad (PA) oder alternativ an einen in dem Empfangspfad vorhandenen Mischer.

3. Sende/Empfangsanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß in jedem Sende/Empfangsmodul (T/R) das Empfangs-Signal einem Mischer zugeführt wird,
• - daß der Mischer ein elektrisches ZF-Signal erzeugt und
• - daß das ZF-Signal über einen elektro-optischen Wandler (EO), einen ersten optischen Zirkulator (OZ1) sowie den Lichtwellenleiter an die Zentraleinheit (ZE) geleitet wird.

4. Sende/Empfangsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das in dem Mischer erzeugte elektrische ZF-Signal über eine elektrische Leitung an die Zen­ traleinheit (ZE) geleitet wird.

5. Sende/Empfangsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zen­ traleinheit ein zweiter optischer Zirkulator (OZ2) vor­ handen ist zur Auskopplung des in dem Lichtwellenleiter (LWL) geführten optischen ZF-Signals und dessen Weiter­ leitung an den Empfänger.

6. Sende/Empfangsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zentral­ einheit (ZE) für alle Amplituden- sowie Phasensteller (R, PH) eine gemeinsame Temperaturstabilisierung, mit­ tels welcher zumindest die Amplituden- sowie Phasenstel­ ler (R, PH) auf einer vorgebbaren Temperatur gehalten werden, vorhanden ist.

7. Sende/Empfangsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur­ stabilisierung zusätzlich den Sendeoszillator (SO) sowie den lokalen Oszillator (LO) umfaßt.

8. Sende/Empfangsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Amplituden- sowie Phasensteller (R, PH) als supraleiten­ de Schaltungsanordnungen ausgebildet sind.

9. Sende/Empfangsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeoszilla­ tor (SO) und der lokale Oszillator (LO) als supraleiten­ de Schaltungsanordnung ausgebildet sind.