DE19941473A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Selbstkalibrierung von Gruppenantennen - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Selbstkalibrierung von Gruppenantennen, die wenigstens über ein Strahlformungsnetzwerk (301) und über Sende- (302) und Empfangselemente (303) verfügen, bei dem bzw. bei der mit wenigstens einer Signalquelle (304) wenigstens ein Kalibriersignal erzeugbar ist, wobei in von der Gruppenantenne auszusendende Signale (308) das Kalibriersignal einkoppelbar (305) ist und/oder wobei in die von den Empfangselementen (303) empfangenen Signale das Kalibriersignal einkoppelbar ist, wobei wenigstens eine Auswertungs- und Steuereinheit (306) vorhanden ist, der wenigstens eine Antennenncharakteristik (311) vorgebbar ist, wobei aus den vom Strahlformungsnetzwerk (301) gelieferten Signalen wenigstens ein Meßsignal auskoppelbar (307) ist, wobei das Meßsignal der Auswertungseinheit (306) zuführbar ist und wobei diese Auswertungseinheit (306) aus dem Meßsignal und der vorgebbaren Antennencharakteristik (311) Stellgrößen für das Strahlformungsnetzwerk (301) ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Selbstkalibrierung von Gruppenantennen. Gruppenantennen werden häufig zur Beherrschung komplizierter Signalsituationen eingesetzt, da sie gegenüber herkömmlichen Antennen eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften aufwei­ sen. Dies sind unter anderem die Möglichkeit zur Schwenkung der Hauptkeule, die Möglichkeit der flexiblen Absenkung des Nebenkeulenniveaus sowie die flexible Erzeugung einer gewünschten Gruppencharakteristik.

Trotz der beschriebenen Vorteile, werden steuerbare Gruppen­ antennen noch wenig eingesetzt. Der Grund dafür liegt darin, daß sowohl die Phasen als auch die Amplituden der Signale der einzelnen Antennenelemente der Gruppe exakt den voraus­ berechneten Beziehungen folgen müssen, um die theoretisch berechnete Gruppencharakteristik zu erzielen. In der Praxis unterliegen die Phasen und die Amplituden der Elementsignale jedoch zeitvarianten und zeitinvarianten Störeinflüssen, die zu einer Abweichung der Gruppencharakteristik vom ge­ wünschten Verlauf führen. Besonders die zeitvarianten Stör­ einflüsse erfordern es, daß eine sicher funktionierende Gruppenantenne mit einem geeigneten Kalibriersystem ausgerü­ stet wird, das es ermöglicht, die Antenne von Zeit zu Zeit während des Betriebs oder in kurzen Betriebspausen abzuglei­ chen (zu kalibrieren), indem die Phasen- und Amplitudenfeh­ ler kompensiert werden.

Stand der Technik

Aus der EP 0 578 060 A2 ist ein Verfahren zur Datenübertra­ gung zwischen einer Feststation und sich bewegenden Objekten bekannt. Dabei empfängt die Feststation von allen sich in einem vorgegebenen Gebiet befindlichen Objekten ausgestrahl­ te Signale und leitet aus diesen den Ort der einzelnen Ob­ jekte ab. Durch ein Strahlformungsnetzwerk wird eine Haupt­ empfangskeule so auf das betreffende Objekt geschwenkt, daß das Richtdiagramm in Richtung der jeweils anderen störenden Fahrzeuge eine möglichst hohe Empfangsdämpfung aufweist.

In der noch nicht offengelegten deutschen Patentanmeldung 198 06 914.6-35 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalibrieren der Sende- und Empfangspfade einer Gruppenan­ tenne mit adaptiver Strahlformung beschrieben. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung ermöglicht eine ständige Kalibrierung der Gruppenantenne auch während des laufenden Betriebes. Dazu wird nacheinander über jeden der vorhandenen Sendepfade ein Sendesignal übertragen, auf dem ein Anteil ausgekoppelt wird. Dieser ausgekoppelte Anteil wird mittels eines Wilkin­ son-Teilers in so viele gleiche Teilanteile mit gleichem Be­ trag und gleicher Phase aufgeteilt wie Empfangspfade vorhan­ den sind. Diese Teilsignale werden in die einzelnen Empfangspfade eingekoppelt und bezüglich Betrag und Phase gemessen. Aus diesen Meßwerten und einem bekannten Transmis­ sionsfaktor eines der Sende- oder Empfangspfade werden die Transmissionsfaktoren aller anderen Sende- und Empfangspfade ermittelt. Schließlich werden die gegenseitigen Abweichungen der Transmissionsfaktoren durch Veränderung von Wichtungs­ faktoren in einem Strahlformungsnetzwerk kompensiert.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Selbstkalibrierung von elektronisch steuerbaren Gruppenantennen vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zeigt eine Gruppenantennenanordnung, die dem Stand der Technik entspricht,

Fig. 2 zeigt eine Gruppenantennenanordnung mit Modifikatio­ nen,

Fig. 3a zeigt ein Blockschema eines Verfahrens zur Selbstkalibrierung von Empfangsgruppenantennen,

Fig. 3b zeigt ein Blockschema eines Verfahrens zur Selbstkalibrierung von Sendegruppenantennen,

Fig. 4 zeigt die noch nicht kalibrierten Elementsignale der Gruppenantenne in Zeigerdarstellung,

Fig. 5 zeigt die Phasenkalibrierung eines Elementsignals der Gruppenantenne,

Fig. 6 zeigt das Verfahren zur Phasenkalibrierung in einem Flußdiagramm,

Fig. 7 zeigt die Ermittlung des Mittelwertes aller Summen­ signale der Gruppenantenne in Zeigerdarstellung,

Fig. 8 zeigt die Ermittlung des Mittelwertes aller Summen­ signale der Gruppenantenne in einem Flußdiagramm,

Fig. 9 zeigt das Verfahren zur Amplitudenkalibrierung in einem Flußdiagramm und

Fig. 10 zeigt die Auswirkung der Kalibrierung auf die Grup­ penantenne in einem Diagramm.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte und anhand der Fig. 1-10 erläuterte Selbstkalibrierung von Gruppenan­ tennen ist teilweise beispielhaft für eine Empfangsgruppenantenne gezeigt, was insbesondere aus den Signalflußrichtungen in den Fig. 1 und 2 deutlich wird. Eine Verwendung des Kalibrierverfahrens zur Selbstkalibrierung von Sendegruppenantennen ist ebenso möglich. Speziell die Fig. 3a und 3b zeigen die Anwendung bei Empfangsgruppenantennen bzw. bei Sendegruppenantennen.

Fig. 1 zeigt eine Gruppenantennenanordnung, die dem Stand der Technik entspricht. Zu den Grundelementen einer solchen Gruppenantenne gehören Antennenelemente zum Senden und Empfangen 101, Verstärker 102, Phasenstellglieder 103 sowie ein analoges Summationsnetzwerk 104. Die Verstärker 102 und die Phasenstellglieder 103 stellen ein Strahlformungsnetz­ werk dar. Nach dem Empfang der Signale über die Antennenele­ mente 101 und der Summation dieser Einzelsignale in dem ana­ logen Summationsnetzwerk 104 wird das Summensignal der Elementzweige der Gruppenantenne einer weiteren Signalverar­ beitung 105 zugeführt. Es wird deutlich, daß bei einer sol­ chen Gruppenantennenanordnung wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, die zur Kalibrierung notwendige Kennt­ nis der Übertragungseigenschaften jedes einzelnen Element­ zweiges der Gruppenantenne allein aus dem Summensignal der Elementzweige der Gruppenantenne gewonnen werden muß.

Fig. 2 verdeutlicht die gegenüber dem Stand der Technik nach Fig. 1 vor zunehmenden Modifikationen an der Gruppenan­ tenne, um das in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Kalibrierverfahren durchführen zu können. Diese Modifikatio­ nen sind zum einen Koppler zur Kalibriersignaleinspeisung 201, die in den Elementzweigen der Gruppenantenne angeordnet sind. Diese Koppler sind vorzugsweise als Richtkoppler aus­ gebildet. Weiterhin ist in jedem Elementzweig der Gruppenan­ tenne eine Kalibriersignaleinspeisung 202 vorzusehen, über die das Kalibriersignal den Kopplern zur Kalibriersignalein­ speisung 201 zugeführt wird. Bei dem über die Kalibrier­ signaleinspeisung 202 zuzuführenden Kalibriersignal handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein Kalibrier­ signal, das mit gleicher Amplitude und gleicher Phasenlage in alle Elementzweige der Gruppenantenne eingespeist wird. Das einzuspeisende Kalibriersignal wird, wie im Rahmen der Fig. 3a und 3b noch eingehender erläutert, von einer Kalibriersignalquelle erzeugt. Die homogene Kalibriersignaleinspeisung in alle Elementzweige der Gruppenantenne kann vorzugsweise über ein symmetrisches Verteilnetzwerk erfolgen.

Eine Alternative zu der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Einkopplung des Kalibriersignals ist die Einstrah­ lung eines Kalibriersignals von einem Kalibriersignalsender im Fernfeld der Gruppenantenne. Dazu muß die Richtung des Kalibriersignalsenders im Fernfeld der Gruppenantenne exakt bekannt sein. Werden die Phasenstellglieder der Element­ zweige der Gruppenantenne auf diese bekannte Richtung vor­ eingestellt, dann kann davon ausgegangen werden, daß die Elementsignale in der Gruppenantenne nominell gleichphasig summiert werden. Durch diese Einstrahlung aus dem Fernfeld der Gruppenantenne wird eine Signalsituation erzeugt, die der bei der Kalibriersignaleinspeisung durch Richtkoppler in den Elementzweigen der Gruppenantenne ähnlich ist. Der Unterschied zur Kalibriersignaleinspeisung durch Richtkoppler in den Elementzweigen der Gruppenantenne besteht darin, daß neben den Einflüssen der Signalverarbeitung in der Gruppenantenne auch die Einflüsse der Antennenelemente berücksichtigt werden. Damit wird die Kalibrierung mittels eines Kalibriersignalsenders im Fernfeld, die in diesem Fall die Serienschaltung aus Signalverarbeitung und Antennenelementen umfaßt, rich­ tungsabhängig und gilt damit nur für die Ausrichtung der Gruppenantenne in der Richtung, aus der das Kalibriersignal im Fernfeld empfangen worden ist.

Im Gegensatz zur Kalibriersignaleinstrahlung aus dem Fern­ feld der Gruppenantenne bezieht sich die in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel beschriebene Kalibrierung nur auf die Signal­ verarbeitung in der Antenne ohne die Antennenelemente. Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Kalibrierung der Signalverarbeitung gilt daher für alle Betriebszustände der Gruppenantenne.

Vom Ausgangssignal des analogen Summationsnetzwerkes 104 wird vorzugsweise die Amplitude beziehungsweise die Leistung bestimmt und an die weitere Signalverarbeitung 105 übergeben, die daraus die entsprechenden Kalibriergrößen bestimmt.

Die Fig. 3a und 3b zeigen je ein Blockschema des im Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahrens zur Selbstkalibrierung von Gruppenantennen. Hierbei erläutert die Fig. 3a das Verfahren anhand einer Empfangsgruppenantenne und Fig. 3b anhand einer Sendegruppenantenne. Im allgemeinen gibt es jedoch auch Antennen, die sowohl als Empfangs- als auch als Sendegruppenantenne eingesetzt werden können. Hierbei ist für das Kalibriersystem eine Kombination aus den Kalibriersystemen für Empfangs- und Sendegruppenantenne vorzusehen. Dabei können schaltungstechnisch identische Komponenten für Empfangs- und Sendezweig gemeinsam genutzt werden. Es können hierbei die Kalibriersignaleinkopplung und die Kalibriersignalauskopplung schaltungstechnisch identisch ausgeführt sein, obwohl sie funktional verschieden sind. Die Funktion hängt in diesem Fall von der Signalflußrichtung ab.

Zentrales Element ist in beiden Figuren das Strahlformungsnetzwerk 301, die mittels der Sendeelemente 302 und/oder der Empfangselemente 303 Signale aussendet und/oder empfängt.

Bei der in Fig. 3a gezeigten Empfangsgruppenantenne wird das Kalibriersignal aus der Kalibriersignalquelle 304 in der Einkoppeleinheit 305 in das von den Empfangselementen 303 gelieferte Empfangssignal eingekoppelt. Dieses Mischsignal wird an das Strahlformungsnetzwerk 301 gegeben, die durch die Auswertungs- und Steuereinheit 306 angesteuert wird. Das Ausgangssignal des Strahlformungsnetzwerks 301 wird der Auskoppeleinheit 307 zugeführt, in der das Ausgangsnutzsignal 309 vom Kalibriersignal getrennt wird. Letzteres wird der Meßeinrichtung 310 zugeführt. Die in der Meßeinheit 310 gewonnenen Informationen bezüglich der Amplitude bzw. der Leistung des Kalibriersignals werden der Auswertungs- und Steuereinheit 306 zugeführt. Aus diesen Informationen und der vorgegebenen Antennencharakteristik bzw. Gruppenfaktorvorgabe 311 wird in der Auswertungs- und Steuereinheit 306 eine korrigierte Ansteuerung für das Strahlformungsnetzwerk 301 bestimmt. Somit ist ein Kalibrierungszyklus abgeschlossen.

Ohne die beschriebene Kalibriereinrichtung würde die Empfangsgruppenantenne nur aus den Elementen 301, 303, 306 und 311 bestehen. Das Ausgangsnutzsignal 309 würde in diesem Fall direkt von dem Strahlformungsnetzwerk 301 geliefert werden.

Bei der in Fig. 3b gezeigten Sendegruppenantenne wird das Kalibriersignal aus der Kalibriersignalquelle 304 in der Einkoppeleinheit 305 in das Eingangsnutzsignal 308 eingekoppelt. Dieses Mischsignal wird an das Strahlformungsnetzwerk 301 gegeben, das durch die Auswertungs- und Steuereinheit 306 angesteuert wird. Das Ausgangssignal des Strahlformungsnetzwerks 301 wird der Auskoppeleinheit 307 zugeführt. Dort wird das Sendesignal vom Kalibriersignal getrennt und den Sendeelementen 302 zugeführt. Das Kalibriersignal wird der Meßeinrichtung 310 zugeführt. Die in der Meßeinheit 310 gewonnenen Informationen bezüglich der Amplitude bzw. der Leistung des Kalibriersignals werden der Auswertungs- und Steuereinheit 306 zugeführt. Aus diesen Informationen und der vorgegebenen Antennencharakteristik bzw. Gruppenfaktorvorgabe 311 wird in der Auswertungs- und Steuereinheit 306 eine korrigierte Ansteuerung für das Strahlformungsnetzwerk 301 bestimmt. Somit ist ein Kalibrierungszyklus abgeschlossen.

Ohne die beschriebene Kalibriereinrichtung würde die Sendegruppenantenne nur aus den Elementen 301, 302, 306 und 311 bestehen. Das Eingangsnutzsignal 308 würde in diesem Fall direkt in das Strahlformungsnetzwerk 301 eingespeist werden.

Gegebenenfalls kann sowohl bei der Empfangsgruppenantenne nach Fig. 3a als auch bei der Sendegruppenantenne nach Fig. 3b das Kalibriersignal aus der Kalibriersignalquelle 304 selbst oder Informationen über das Kalibriersignal der Auswertungseinheit 306 zugeführt werden. Dies ist jeweils mit einem gestrichelten Pfeil angedeutet.

Das im Ausführungsbeispiel beschriebene Kalibrierverfahren bestimmt in einem ersten Schritt Stellgrößen für die Phasen­ einstellungen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 und in einem zweiten Schritt Stellgrößen für die Amplitudeneinstellungen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301.

Die Fig. 4 und 5 erläutern in einer komplexwertigen Zei­ gerdarstellung das Verfahren zur Bestimmung der Stellgrößen für die Phaseneinstellungen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301. Aus der Darstellung nach Fig. 4 wird deutlich, daß selbst nominell gleichphasig eingestellte Phasenstellglieder eines Strahlformungsnetzwerks 301 in der Praxis zu nicht parallelen Zeigern führen, da die Übertragungseigenschaften der Elementzweige eines Strahlformungsnetzwerks 301 bezüglich der Phasen nicht ideal sind. Die Aufsummierung aller in leicht unterschiedliche Richtungen weisenden Elementsignale 401 führt zu einem Summensignal 402. Die Bestimmung der Stellgrößen für die Phasenstellglieder des Strahlformungsnetzwerks 301 beginnt damit, daß die Phaseneinstellung eines ersten Elementsignals 501 um 180° verschoben wird. Hierdurch ergibt sich ein verändertes Summensignal, das vom Betrag her kleiner ist als das zuvor bestimmte Summensignal 402. Es wird nun die Phase des Elementsignals 501 soweit verändert bis sich ein minimales Summensignal 504 ergibt. Der Winkel, um dieses korrigierte Elementsignal 502 zu erhalten, wird als Korrekturwinkel 503 gespeichert. Damit ist eine vorläufige neue Stellgröße für die Phaseneinstellung eines ersten Elementsignals bestimmt worden. Das weitere Verfahren zur Bestimmung der Stellgrößen für die Phaseneinstellung der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 wird in der folgenden Fig. 6 anhand eines Flußdiagramms eingehender erläutert.

Fig. 6 zeigt das am Ausführungsbeispiel beschriebene Ver­ fahren zur Phasenkalibrierung in einem übersichtlichen Fluß­ diagramm. Dieses Verfahren zur Phasenkalibrierung stellt den bereits erwähnten ersten Schritt zur Selbstkalibrierung des Strahlformungsnetzwerks 301 dar. Das Verfahren zur Phasenkalibrierung der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 beginnt mit einem Schritt 601, in dem die Phasenstellglieder aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 in Grundstellung gebracht wer­ den, und die Elementnummer auf 1 gesetzt wird. In Schritt 602 wird überprüft ob die Elementnummer noch kleiner oder gleich der Elementanzahl der Gruppe ist. Solange dies der Fall ist wird das Verfahren mit Schritt 603 fortgesetzt. Ansonsten erfolgt Schritt 609, der später erläutert wird. In Schritt 603 wird die Phaseneinstellung des Elementes (ent­ sprechend der Elementnummer) um 180° verschoben. In Schritt 604 wird das sich nun ergebende Summensignal aller Element­ zweige des Strahlformungsnetzwerks 301 ermittelt. In dem sich anschließenden Schritt 605 wird die Phaseneinstellung des entsprechenden Elementzweiges solange variiert bis das Summensignal aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 minimal ist. Dieses Verfahren entspricht den zuvor im Rahmen von Fig. 5 erläuterten Schritten. Der auf diese Weise bestimmte Korrekturwert für das der Elementnummer entsprechende Element des Strahlformungsnetzwerks 301 wird in einem Schritt 606 gespeichert. In Schritt 607 wird die Phaseneinstellung des zuvor um 180° verschobenen Elementes um 180° zurückgesetzt, bevor in Schritt 608 die Elementnummer um 1 inkrementiert wird. Die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte 603 bis 608 werden für jedes Element des Strahlformungsnetzwerks 301 wiederholt. Dies ergibt sich dadurch, daß die Bedingung nach Schritt 602 nicht mehr erfüllt ist wenn die in Schritt 608 inkrementierte Elementnummer größer ist oder gleich ist der Elementanzahl des Strahlformungsnetzwerks 301. In diesem Fall ist die Bedingung nach Schritt 602 nicht erfüllt und es wird in Schritt 609 überprüft, ob der sich ergebende Korrekturvektor seit der letzten Iteration unverändert ist. Ist dies der Fall, so kann davon ausgegangen werden, daß die bestmöglichen Stellgrößen für die Phaseneinstellungen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 gefunden worden sind. Somit wird in Schritt 612 der ermittelte Korrekturvektor an die Auswertungseinheit 306 übergeben und das Verfahren zur Kalibrierung der Phasen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 ist beendet. Hat sich der Korrekturvektor der Stellgrößen für die Phaseneinstellungen seit der letzten Iteration verändert und ist somit die Bedingung nach Schritt 609 nicht erfüllt, wird in Schritt 610 überprüft, ob der so bestimmte Korrekturvektor für die Stellgrößen der Phaseneinstellungen bereits in einem früheren Iterationsschritt einmal bestimmt worden ist. Ist dies der Fall, so wird davon ausgegangen, daß ebenfalls die bestmöglichen Stellgrößen für die Phaseneinstellungen der Elementzweige ermittelt worden sind und es wird mit Schritt 612, also der Übergabe des Korrekturvektors an die Auswertungseinheit 306, fortgefahren. Hat sich ein Korrekturvektor ergeben der zuvor noch nicht ermittelt wor­ den ist, und ist somit die Bedingung nach Schritt 610 nicht erfüllt, so wird mit Schritt 611 fortgefahren. In Schritt 611 werden die Phasenstellglieder entsprechend des bestimm­ ten Korrekturvektors verändert und die Elementnummer auf den Wert 1 zurückgesetzt. Im Anschluß daran wird das Verfahren wieder mit Schritt 602 fortgeführt, um in einem weiteren Durchlauf der Schritte 602 bis 608 die Phaseneinstellungen der Gruppenantenne weiter zu verbessern. Der Verfahrens­ schritt 610, in dem überprüft wird ob der Korrekturvektor bereits zuvor schon einmal ermittelt worden war, ist notwen­ dig, da die Stellgrößen für die Phaseneinstellungen der Ele­ mentzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 nur diskrete Werte annehmen können und somit die Möglichkeit besteht, daß durch die Kalibrierung der Korrekturvektor zwischen zwei verschiedenen Werten hin- und herspringt.

Das Ergebnis des Verfahrens zur Phasenkalibrierung nach den Schritten 601 bis 612 ist die bestmögliche Phaseneinstellung der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301, die in ihrer Genauigkeit nur durch die Quantisierungsstufen der Stellglieder zur Phaseneinstellung der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 begrenzt ist.

Nachdem in einem ersten Schritt die Kalibrierung der Ele­ mentzweige mit dem Phasenkalibrierverfahren abgeschlossen ist, sind in einem zweiten Schritt die Übertragungseigen­ schaften bezüglich der Amplituden zu kalibrieren.

Fig. 7 zeigt zunächst die Bildung des Mittelwertes aller Summensignale, der zur Durchführung des Amplitudenkalibrier­ verfahrens notwendig ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist diese Mittelwertbildung beispielhaft für eine Gruppenantenne mit vier Elementzweigen dargestellt. Da die Phasenkalibrie­ rung bereits erfolgt ist, liegen alle Zeiger parallel und unterscheiden sich nur noch in ihren Längen. Es wird in einem ersten Elementzweig des Strahlformungsnetzwerks 301 die Phaseneinstellung eines Elementzweiges um 180° verschoben. Das entsprechende Summensignal aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 wird gebildet. Diese Schritte werden für alle Elementzweige der Gruppenantenne wiederholt, so daß sich die Summensignale 701 bis 704 ergeben. Diese Summensignale 701 bis 704 werden aufsummiert und von ihnen der arithmetische Mittelwert 705 gebildet. Dieser Mittelwert 705 wird im weiteren als Mittelwert aller Summensignale bezeichnet.

In Fig. 8 ist die Ermittlung des Mittelwertes aller Summen­ signale 705 noch einmal ausführlich in einem Flußdiagramm dargestellt. Es beginnt damit, daß in einem Schritt 801 die Elementnummer auf 0 gesetzt wird. In dem sich anschließenden Verfahrensschritt 802 wird die Elementnummer um 1 inkremen­ tiert und die Phaseneinstellung des entsprechenden Element­ zweiges um 180° verschoben. In Verfahrensschritt 803 wird das Summensignal der Elementzweige unter Berücksichtigung der zuvor verschobenen Phase bestimmt und dieser Wert gespeichert. In Schritt 804 wird die Phaseneinstellung des zuvor verschobenen Elementzweiges noch einmal um 180° ver­ schoben, wodurch die Phaseneinstellung des Elementzweiges wieder der zu Beginn der Bildung des Mittelwertes aller Sum­ mensignale entspricht. In Schritt 805 wird überprüft, ob die in Schritt 802 inkrementierte Elementnummer der Anzahl der Elementzweige entspricht. Ist dies nicht der Fall wird das Verfahren wiederum mit dem Schritt 802 fortgesetzt. Ent­ spricht die Elementnummer der Anzahl der Elementzweige, ist also die Phase jedes einzelnen Elementzweiges einmal um 180° verschoben gewesen und ein entsprechende Summensignal gebil­ det worden, so wird in Schritt 806 der arithmetische Mittel­ wert der gespeicherten Summensignale gebildet. Dieser arith­ metische Mittelwert der Summensignale wird im folgenden als Mittelwert aller Summensignale bezeichnet.

Fig. 9 beschreibt in einem Flußdiagramm das Verfahren zur Amplitudenkalibrierung der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301. Nachdem zuvor in einem ersten Schritt die Stellgrößen für die Phasenstellglieder der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 bestimmt worden sind, ist dies der zweite Schritt zur Kalibrierung des Strahlformungsnetzwerks 301.

Das Verfahren zur Amplitudenkalibrierung beginnt in Schritt 901 damit, daß die Elementnummer auf 1 gesetzt wird. In Schritt 902 erfolgt die Bildung des Mittelwertes aller Sum­ mensignale analog zu der Beschreibung von Fig. 8. Die eigentliche Kalibrieriteration beginnt in Schritt 903 damit, daß die Phaseneinstellung des der Elementnummer entsprechen­ den Elementzweiges um 180° verschoben wird. In Schritt 904 wird die Stellgröße der Amplitudeneinstellung des entspre­ chenden Elementzweiges gespeichert. In dem sich anschließen­ den Verfahrensschritt 905 wird die Stellgröße der Amplitu­ deneinstellung des entsprechenden Elementzweiges auf maximale Dämpfung eingestellt. Dies entspricht der minimal möglichen Verstärkung des entsprechenden Amplitudenstell­ gliedes. In Schritt 906 wird das Summensignal der Element­ zweige ermittelt. In Schritt 907 wird überprüft ob das in Schritt 906 ermittelte Summensignal größer ist als der Mit­ telwert aller Summensignale. Ist dies nicht der Fall, so kann die Einstellung des Amplitudenstellgliedes des entspre­ chenden Elementzweiges in diesem Iterationsdurchlauf nicht erfolgen und es wird in Verfahrensschritt 911 die Stellgröße für die Amplitudeneinstellung des entsprechenden Element­ zweiges auf den in Schritt 904 gespeicherten Wert zurückge­ setzt. Stellt sich in Schritt 907 heraus, daß das in Schritt 906 ermittelte Summensignal größer ist als der Mittelwert aller Summensignale, wird in Schritt 908 die Einstellung der Stellgröße der Amplitudeneinstellung des entsprechenden Ele­ mentzweiges solange verändert, bis das Summensignal dem Mit­ telwert der Summensignale entspricht. Wenn eine der Stell­ größen der Amplitudeneinstellungen der Elementzweige den minimalen oder den maximalen Einstellwert erreicht hat, wer­ den in Schritt 909 die Einstellungen der Stellgrößen aller Amplitudeneinstellungen der Elementzweige mit einem entspre­ chend gewählten Faktor skaliert. In Schritt 910 werden die zuvor neu ermittelten Stellgrößen für die Amplitudeneinstel­ lungen der Elementzweige in einem Amplitudenkalibriervektor gespeichert. An diesen Schritt 910 sowie an den bereits be­ schriebenen Schritt 911 schließt sich im Schritt 912 die Verschiebung der Phaseneinstellung des entsprechenden Ele­ mentzweiges um 180° an. Damit liegt das Signal des entspre­ chenden Elementzweiges wieder in der ursprünglich einge­ stellten Phase. In Schritt 913 wird erneut der Mittelwert aller Summensignale gebildet, wobei zusätzlich die sich bei der Ermittlung des Mittelwertes aller Summensignale ergeben­ den Summensignale der einzelnen Elementzweige gespeichert werden. Der Schritt 914 ist das Abbruchkriterium des Amplitudenkalibrierverfahrens. Sind in Schritt 914 die Abweichungen der Summensignale der Elementzweige vom Mittel­ wert aller Summensignale größer als ein gewisser Schwell­ wert, so wird die Elementnummer um 1 erhöht und das Verfah­ ren mit Schritt 903 fortgesetzt. Ist durch die Inkrementierung der Elementnummer ein Wert erreicht, der größer ist als die Anzahl der vorhandenen Elementzweige, so wird die Elementnummer auf den Wert 1 zurückgesetzt. Sind in Schritt 914 die Abweichungen aller Summensignale der Elementzweige von dem Mittelwert aller Summensignale kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert, so wird der in Schritt 910 gespeicherte Amplitudenkalibriervektor an die Auswertungseinheit 306 übergeben. Das Verfahren terminiert.

Damit sind die Amplitudenstellglieder der Elementzweige ent­ sprechend der gewählten Schranke bestmöglich kalibriert. Die Wahl der Schranke für das Abbruchkriterium nach Schritt 914 wird hauptsächlich durch die Größe der Quantisierungsstufen der Amplitudenstellglieder beeinflußt. Falls die Schranke schlecht gewählt wurde, das heißt, das Abbruchkriterium kann nicht erfüllt werden, so sollte nach einer endlichen Anzahl von Iterationen das Amplitudenkalibrierverfahren abgebrochen werden. In diesem Fall kann die Einstellung der Amplituden­ stellglieder zur Kalibrierung verwendet werden, bei der die größte Abweichung zwischen einem der Summensignale der Ele­ mentzweige und dem Mittelwert aller Summensignale ein Mini­ mum angenommen hatte.

Da bei diesem Amplitudenkalibrierverfahren die Einstellungen der Amplitudenstellglieder nicht exakt, sondern nur relativ zueinander abgeglichen werden, kann es passieren, daß die gesamten Einstellungswerte der Stellglieder zur Amplituden­ einstellung der Elementzweige im Laufe der Iterationen immer größer beziehungsweise kleiner werden und damit an die Stellgrenzen stoßen. Um dies zu verhindern, ist in das Amplitudenkalibrierverfahren der bereits oben beschriebene Schritt 909 aufgenommen worden.

Nach dem in einem ersten Schritt die Phasen der Element­ zweige des Strahlformungsnetzwerks 301 und in einem zweiten Schritt die Amplituden der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks 301 kalibriert worden sind, ist die Kalibrierung des Strahlformungsnetzwerks 301 abgeschlossen.

Das Ergebnis beziehungsweise die Auswirkung der Kalibrierung auf die Gruppenantenne wird in Fig. 10 beispielhaft für eine dreielementiges Strahlformungsnetzwerk 301 dargestellt. Auf der Waagerechten ist eine winkeläquivalente Größe aufgetragen, wobei der Nullpunkt in der Mitte der Achse liegt. In der Senkrechten ist der auf das Maximum des Gruppenfaktors normierte Gruppenfaktor dargestellt. Durch diese Normierung liegt das Maximum des normierten Gruppenfaktors bei 0 dB am oberen Ende des gezeigten Koordi­ natensystems. Mit 1001 ist der Verlauf eines normierten Gruppenfaktors bezeichnet, in dem Phasen- und Amplituden­ störungen enthalten sind. Der Verlauf nach 1002 zeigt den normierten Gruppenfaktor nach der erfolgten Phasenkalibrie­ rung. Der Verlauf nach 1003 zeigt den Gruppenfaktor nach erfolgter vollständiger Kalibrierung. Zum Vergleich ist mit dem Verlauf nach 1004 der normierte Gruppenfaktor ohne Störungen dargestellt.

Kern dieses Ausführungsbeispieles ist das zweiteilige Ver­ fahren zur Kalibrierung der Amplituden- und Phasenabweichun­ gen in den Elementzweigen der Gruppenantenne. Der größte Vorteil des Ausführungsbeispieles besteht darin, daß zur Kalibrierung lediglich die Amplitude beziehungsweise die Leistung des Summensignals aller Elementzweige der Gruppen­ antenne benötigt wird.

Das in diesem Ausführungsbeispiel vorgestellte Verfahren ist in erster Linie für ein System zur Selbstkalibrierung einer Gruppenantenne entwickelt worden. Es werden daher keine externen Kalibriersignalquellen für die Kalibrierung benö­ tigt, wodurch das System besonders für mobile Anwendungen geeignet ist. Das Kalibriersystem kann ohne großen Aufwand in bestehende Antennenkonzepte integriert werden. Neben der Kalibriersignalquelle 304 und der Meßeinrichtung 310 werden für das Kalibriersystem nur das Kalibriersignalverteilnetz­ werk 202 und die Kalibriersignaleinkoppler 201, also einfa­ che passive Komponenten, zusätzlich benötigt. Die Sende- beziehungsweise die Empfangseigenschaften der Antenne werden durch die Implementierung des Kalibriersystems kaum beein­ flußt. Bei der Kalibriersignaleinspeisung durch sich im Fernfeld der Gruppenantenne befindliche Kalibriersignal­ quellen kann auf die schaltungstechnische Erweiterung des Strahlformungsnetzwerks 301 durch Kalibriersignaleinkoppler 201, das Kalibriersignalverteilnetzwerk 202 und die Kalibriersignalquelle 304 verzichtet werden. Damit werden für diesen Fall die erforderlichen zusätzlichen Schaltungskomponenten der Gruppenantenne auf die Meßeinrichtung 310 und die Auswertungseinrichtung 306 reduziert.

Aufgrund der Reziprozität kann das Kalibrierverfahren nicht nur, wie in diesem Ausführungsbeispiel vorgestellt, zur Selbstkalibrierung von Empfangsgruppenantennen eingesetzt werden, sondern auch zur Selbstkalibrierung von Sende­ gruppenantennen Verwendung finden. In diesem Fall kehrt sich in Fig. 2 die Signalflußrichtung um und das Kalibrier­ signalverteilnetzwerk 202 wird durch ein präzises Summa­ tionsnetzwerk ersetzt, das die Summe der Elementsignale für die Meßeinrichtung bereitstellt. Das Summationsnetzwerk muß alle Elementsignale phasengleich und mit gleicher Amplitu­ dengewichtung summieren. Der Einsatz des Kalibrierverfahrens ist identisch mit dem Empfangsfall.

Claims (14)

1. Verfahren zur Selbstkalibrierung von Gruppenantennen, die wenigstens über ein Strahlformungsnetzwerk (301) und über Sende- (302) und Empfangselemente (303) verfügen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mit wenigstens einer Signalquelle (304) wenigstens ein Kalibriersignal erzeugbar ist,
• - daß in von der Gruppenantenne auszusendende Signale (308) das Kalibriersignal einkoppelbar (305) ist und/oder
• - daß in die von den Empfangselementen (303) empfangenen Signale das Kalibriersignal einkoppelbar ist,
• - daß wenigstens eine Auswertungs- und Steuereinheit (306) vorhanden ist, der wenigstens eine Antennencharakteristik (311) vorgebbar ist,
• - daß aus den vom Strahlformungsnetzwerk (301) gelieferten Signalen wenigstens ein Meßsignal auskoppelbar (307) ist,
• - daß das Meßsignal der Auswertungseinheit (306) zuführbar ist und
• - daß diese Auswertungseinheit (306) aus dem Meßsignal und der vorgebbaren Antennencharakteristik (311) Stellgrößen für das Strahlformungsnetzwerk (301) ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibriersignal mit gleicher Amplitude und mit gleicher Phasenlage in alle Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) einkoppelbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mit den Stellgrößen für das Strahlformungsnetz­ werk (301) die Amplituden- und Phasenstellglieder der Elementzweige der Gruppenantenne gesteuert werden und
• - daß die Ermittlung dieser Stellgrößen in zwei Schrit­ ten nach Amplitude und Phase getrennt erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgekoppelte Meßsignal aus der Summe aller Signale des Strahlformungsnetzwerks (301) gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung einer Stellgröße für die Phaseneinstel­ lung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) nach den folgenden Verfahrensschritten erfolgt:

• - Veränderung der Stellgröße für die Phaseneinstellung des einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) so, daß die Phase dieses einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) um 180° verschoben wird (603),
• - Ermittlung des Summensignals aus allen ausgekoppelten Meßsignalen nach Betrag und Phase (604),
• - Veränderung der Stellgröße für die Phaseneinstellung des einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) solange, bis das Summensignal aller ausgekoppelten Meßsignale des Strahlformungsnetzwerks (301) minimal wird (605) und
• - Veränderung der neu ermittelten Stellgröße für die Phaseneinstellung des einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) so, daß die Phase dieses einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) um 180° verschoben wird (607).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Ermittlung der Stellgröße für die Phaseneinstellung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) sukzessive für alle übrigen Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) durchgeführt werden (602).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Ermittlung der Stellgröße für die Phaseneinstellungen aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) solange wiederholt werden, bis die Veränderungen der Stellgrößen für die Phaseneinstellungen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) minimal werden (609) und/oder sich eine Schar von Veränderungen der Stellgrößen für die Phaseneinstellungen der Ele­ mentzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) ergibt, die zuvor schon einmal ermittelt wurde (610).

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittelwert (705) aller Summensignale des Strahlformungsnetzwerks (301) nach den folgenden Verfahrensschritten gebildet wird:

• - Veränderung der Stellgröße für die Phaseneinstellung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) so, daß die Phase dieses einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) um 180° verschoben wird (802),
• - Ermittlung des Summensignals aller ausgekoppelten Meßsignale des Strahlformungsnetzwerks (301) nach Betrag und Phase (803),
• - Veränderung der Stellgröße für die Phaseneinstellung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) so, daß die Phase dieses einen Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) um 180° verschoben wird (804),
• - Wiederholung der vorigen drei Verfahrensschritte (805) für alle weiteren Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) und Bildung einer Gesamtsumme aller Summensignale und
• - Bildung des arithmetischen Mittelwertes (806) der Gesamtsumme aller Summensignale des Strahlformungsnetzwerks (301).

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung einer Stellgröße für die Amplitudenein­ stellung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) nach den folgenden Verfahrensschritten erfolgt:

• - Bestimmung des Mittelwertes aller Summensignale (902) des Strahlformungsnetzwerks (301) und
• - Veränderung der Stellgröße für die Amplitudeneinstel­ lung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) solange, bis das Summensignal aller Element­ zweige des Strahlformungsnetzwerks (301) dem zuvor bestimmten Mittelwert aller Summensignale des Strahlformungsnetzwerks (301) entspricht (908).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Stellgrößen für die Amplitudenein­ stellungen aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) die Verfahrensschritte zur Ermittlung der Stellgröße für die Amplitudeneinstellung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) sukzessive für alle übrigen Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) durchgeführt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stellgrößen für die Amplitudeneinstellungen der Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) um einen einstellbaren Faktor verändert werden (909), wenn die Stellgröße für die Amplitudeneinstellung eines Elementzweiges des Strahlformungsnetzwerks (301) einen minimalen oder einen maximalen Einstellwert erreicht hat und das Summensignal aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) größer als der Mittelwert aller Summensignale des Strahlformungsnetzwerks (301) ist (907).

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Ermittlung der Stellgrößen für die Amplitudeneinstellungen aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) solange wiederholt werden, bis die Differenz zwischen dem Summensignal aller Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) und dem jeweils neu bestimmten Mittelwert aller Summensignale des Strahlformungsnetzwerks (301) einen einstellbaren Schwellwert unterschritten hat (914).

13. Vorrichtung zur Selbstkalibrierung von Gruppenantennen, die wenigstens über ein Strahlformungsnetzwerk (301) und über Sende- (302) und Empfangselemente (303) verfügen, dadurch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens eine Signalquelle (304) zur Erzeugung wenigstens eines Kalibriersignals vorhanden ist,
• - daß Mittel zur Einkopplung (305) des Kalibriersignals in von der Gruppenantenne (301) auszusendende Signale (308) und/oder zur Einkopplung (305) in die von den Empfangselementen (303) empfangene Signale vorhanden sind,
• - daß wenigstens eine Auswertungs- und Steuereinheit (306) vorhanden ist,
• - daß Mittel vorhanden sind, um in dieser Auswertungs- und Steuereinheit (306) wenigstens eine vorgebbare Antennencharakteristik (311) abzulegen,
• - daß Mittel vorhanden sind, um aus von dem Strahlformungsnetzwerk (301) gelieferten Signalen wenigstens ein Meßsignal auszukoppeln (307) und
• - daß Mittel vorhanden sind, um aus diesem Meßsignal und der Antennencharakteristik (311) Stellgrößen für das Strahlformungsnetzwerk (301) zu ermitteln.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung des wenigstens einen Kalibriersig­ nals in die Elementzweige des Strahlformungsnetzwerks (301) jeweils durch wenigstens eines der folgenden beiden Mittel erfolgt, wobei das erste ein Richtkoppler (201) und das zweite ein Kalibriersignalsender ist, der aus einer exakt bekannten Richtung im Fernfeld der Gruppenantenne einstrahlt.