DE2048709A1

DE2048709A1 - Radarsystem ,-nrt Strahlschwenkung durch Frequenzänderung

Info

Publication number: DE2048709A1
Application number: DE19702048709
Authority: DE
Inventors: John Joseph Malibu Cahf Fling (VStA) H04j 3 06
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1969-10-13
Filing date: 1970-10-03
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR2073311B1; US3604002A; GB1318762A; BE757420A; FR2073311A1

Description

Dipl. -Phys. Leo Thul

Stuttgart

J. J. Fling - 3

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Radarsystem mit Strahlschwenkung durch Frequenzänderung

Die Erfindung betrifft ein Radarsystem mit Strahlschwenkung durch Frequenzänderung mit einer Antennenanordnung, die aufeinanderfolgende Strahlerelemente trägt, die an aufeinanderfolgenden Speisepunkten einer Hohlleiter-Hauptübertragungsleitung gespeist werden, um einen Strahl auszusenden, dessen Abstrahlwinkel eine Funktion der Antennenerregungsfrequenz ist, und mit einem JVIikrowellengenerator, der in Abhängigkeit von stufenweise veränderbaren Steuersignalen nach vorgegebenem Programm in der Frequenz einstellbar ist.

Ein bekanntes Itadarsystem diesel' Art enthält eine Antennenanordnung, die ein scharf gebündeltes Richtdiagramm aufweist. Der Winkel des abgegebenen Strahles ändert sich über einen vorgegebenen

24. 9.70

vo/st 109817/13*8

J. J. Fling- 3 -2- 2Uh ο 7 03

Schwenkbereich, wenn die Frequenz der Mikrowellenerregung verändert wird. Derartige Systeme sind in den USA-Patentschriften Nr. 3 438 035 und 3 039 097 beschrieben, wobei in der letztgenannten Patentschrift auch eine andere Antennenanordnung gezeigt ist, die auf Frequenzänderungen anspricht und eine trägheitslose Strahlschwenkung ermöglicht. Aus diesen Schriften ist die Verwendung von gefalteten oder sogenannten Serpentinen-Hohlleitern als Übertragungsleitungen zur Speisung der Strahlerelemente einer frequenz empfindlichen Antennenanordnung bekannt. Mit derartigen " Serpentinen-Hohlleitern wird der elektrische Weg innerhalb des

Hohlleiters zwischen den Strahlerelementen verlängert, wobei ein kleinerer Abstand der Strahlerelemente in der Luft beibehalten werden kann. Eine derartige Behelfslösung ist ein wertvoller Lösungsweg für frequenzempfindliche Antennenanordnungen mit vorgegebenen Schwenkempfindlichkeiten.

Bei einigen bekannten Systemen werden die aufeinanderfolgenden Schwenkwinkel, die in ein Radarsystem mit Strahlschwenkung einprogrammiert werden sollen, über ein Programm von bestimmten, sehr stabilen Frequenzschritten erzeugt, die ohne Rückführung den gewünschten Winkeln und Zwischenwinkeln des abgestrahlten Strahles entsprechen. In einem derartigen System muß die Frequenzaufbereitung sehr aufwendig ausgelegt werden, da eine Vielzahl von individuell steuerbaren Oszillatoren, Mischstromkreisen, Filtern und logischen Schaltkreisen erforderlich ist. Um eine ausreichende Stabilität zu erreichen, müssen diese Oszillatoren mit verhältnismäßig niedrigen Frequenzen arbeiten. Es muß daher eine mehrfache Frequenzvervielfachung vorgenommen werden. Es ist klar, daß derartige Frequenzaufbereitungssysteme aufwendig sind.

109817/ 1348

J. J. Fling - 3 - 3 - . ?. U M .'■ ' O 3

Die frequenzempfindliche Antennenanordnung nach der USA-Patentschrift Nr. 3 438 035 ist nur in einer Ebene frequenzempfindlich. Dasselbe gilt auch für die Anordnung nach der USA-Patentschrift Nr. 3 039 097, obwohl die Strahlbildung in der ortliogonalen Ebene mit Hilfe eines Reflektors ausgeführt wird. In der USA-Patentschrift Nr. 3 438 035 ist eine zweidimensionale Antennenanordnung gezeigt, .die einen ausreichend schmalen Strahl abstrahlt, der sowohl in der Azimut- als auch in der Elevations-Polarkoordinate gebündelt ist.

Wenn die Strahlschwenkung durch Frequenzänderung in dem Elevationssektor angewandt wird, dann wird der Strahlwinkel in Übereinstimmung mit der Phasenverteilung entlang der Antennenanordnung verstellt. Die Speisung über einen Serpentinen-Hohlleiter ist eine Hohlleiter-Übertragungsleitung mit verlängerter Weglänge, um die elektrische Weglänge innerhalb des Hohlleiters von Strahlerelement zu Strahlerelement zu vergrößern. Der äußere Abstand der Strahlerelemente kann aus Gründen des Antennenaufbaues kleiner gehalten werden. Bei einer Antennenanordnung dieser Art wird der in einer Ebene geschwenkte Strahl einen Winkel einnehmen, der eine Funktion der Erregungsfrequenz ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für ein Radarsystem dieser Art eine Anordnung zur Erzeugung des gewünschten Frequenzprogramines zu finden, die mit wesentlich weniger Aufwand aufgebaut werden kann. Das Radarsystem mit Strahlschwenkung durch Frequenzänderung mit einer Antennenanordnung, die aufeinanderfolgende Strahlerelemente trägt, die an aufeinanderfolgenden Speisepunkten einer Hohlleiter-Hauptübertragungsleitung gespeist werden, um einen Strahl auszusenden, dessen Ab strahl wink el eine Funktion der

109817/13A8

J. J. Fling -3 - 4 - 2Ü40 7 09

Antennenerregungsfrequenz ist, und mit einem Mikrowellengenerator, der in Abhängigkeit von stufenweise veränderbaren Steuersignalen nach vorgegebenem Programm in der Frequenz einstellbar ist, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang dieses Mikrowellengenerators mit dem Eingang einer Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung verbunden ist, die in ihrer elektrischen Länge auf eine Vielzahl von Wellenlängen der im Programm vorgesehenen Mikrowellenfrequenzen ausgelegt ist, daß

^ das Signal am Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung bei

jedem Frequenzwechsel des Mikrowellengenerators einen vorgegebenen Phasensprung ausführt, und daß eine Phasenvergleichs schaltung aus der Phasendifferenz der Signale am Eingang und Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung ein entsprechendes Korrektursignal ableitet, das den Mikrowellengenerator bis zur Phasengleichheit dieser beiden Signale in der Frequenz ändert. Die Hohlleiter-Hilf sübertragungsleitung wird wie die Hohlleiter-Hauptübertragungsleitung der Antennenanordnung von demselben Mikrowellengenerator gespeist, der in der Frequenz einstellbar ist. Die Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung ist so ausgelegt, daß sie bei jeder gewünschten aufeinanderfolgenden Antennenwinkeländerung ihre elektrische Länge

um 2-3Γ Radianten ändert. Jede Änderung kann logischerweise der Strahlbreite des Abtaststrahles entsprechen. Das System ist jedoch . nicht auf diese Beziehung beschränkt. Es ist nur erforderlich, daß der Bezugs-Serpentinen-Hohlleiter bei seiner Erregung die elektrische Länge um 2-3Γ Radianten ändert (d. h. er gibt ein Ausgangssignal ab, das 2-3Γ Radianten mehr oder weniger aufweist wie das Ausgangssignal in der letzten Strahlbreitenstellung). Diese Änderung der elektrischen Länge erfolgt beim Übergang der Erregung auf eine neue Frequenz. Die Laufzeit der Übertragungs-

1Q9817/1348

J. J. Fling -3 -5- 2043709

leitung ändert sich natürlich nicht. Im Gegensatz zur Hohlleiter-Hauptübertragungsleitung trägt die Hohlleiter-Hilfs- oder Bezugsübertragungsleitung keine Strahlerelemente, sie weist jedoch dieselbe elektrische Länge und dieselben Temperaturkennwerte auf. Wenn die beiden Hohlleiter-Übertragungsleitungen denselben Temperatureinflüssen unterworfen sind, dann wird der Temperatureinfluß auf die Frequenz und damit den Schwenkwinkel eliminiert oder zumindest stark reduziert.

Wenn ein spanmängsgesteuerter Generator zur Frequenzerzeugung und zur Erregung der Hohlleiter eingesetzt wird, dann kann die Frequenz dieses Generators stufenweise programmiert werden, so daß jede Stufe ungefähr eine Phasenänderung von 2-JT Radianten am Ausgang des Bezugshohlleiters bewirkt. Es kann ein Mehrfachphasennullsystem eingeführt werden, wobei ein Phasenmitführstromkreis eingesetzt wird, der jeden Fehler erkennt und ein Frequenzkorrektursignal erzeugt, das jede Stufe des Frequenzsteuersignals, das über die Programmschaltung dem Generator zugeführt wird, entsprechend ändert. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln erreicht, daß eine sehr genaue Übereinstimmung zwischen dem Ab strahl wink el und der Erregungsfrequenz für ein genaues Radarsystem besteht. Die für jeden Schwenkschritt erforderliche Frequenz wird auf Grund der gesamten elektrischen Länge einer Hohlleiter-Übertragungsleitung festgelegt, deren Kennwerte die Antennenanordnung mit einem Serpentinen-Hohlleiter in der beschriebenen Weise anpassen.

Ein mit dem Bezugs-Serpentinenhohlleiter in Reihe geschalteter, steuerbarer Phasenschieber bewirkt eine Abweichung im Schwenk-

109817/1340

J. J. Fling - 3 - 6 -

programm, wie sie für einen Schwenkschritt erforderlich ist. Ein derartiger, steuerbarer Phasenschieber spricht auf elektrische Signale an und kann sehr schnell umgeschaltet werden. Dabei ist es aus Gründen der Genauigkeit von Vorteil, wenn dieser Phasenschieber digital gesteuert werden kann, um eine genaue Phaseneinstellung zu erhalten.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise als Bild und Blockschaltbild den Bezugs-Serpentinen-Hohlleiter und die Bauelemente der Phasenvergleichs schaltung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des gesamten Radarsystems mit der Programmschaltung und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Phasenaus-

f gangs signals an dem Serpentinen-Hohlleiter

bezogen auf den Strahlschwenkwinkel.

In Fig. 1 ist der Serpentinen-Bezugshohlleiter 2 gezeigt, der mit einer Serpentinen-Hauptantennenanordnung 1 in W arme verbindung steht. Die Pfeile 3 deuten diese Wärmeverbindung an, die durch gegenseitige Verbindung mit einem gemeinsamen Heizgerät oder als Ergebnis der Abkapselung in einer gemeinsamen Kuppel mit Luftfüllung erreicht wird. Das in der Frequenz veränderbare Signal wird bei 7 eingeführt und durch den Richtungskoppler bei 6 aufgeteilt. Ein Teil des Signals in Richtung 4 wird einem Eingang der

100817/1340

J. J. Fling - 3 -7- 2043709

abgeglichenen Gabelschaltung 8 auf der Leitung zugeführt. Der andere Eingang 10 der Gabelschaltung wird vom Ausgang oder dem nichterregten Ende des Serpentinen-Bezugshohlleiters 2 über die Leitung 5 und den gesteuerten Phasenschieber 17 gespeist.

Die Ausgänge 11 und 12 der Gabelschaltung 8 geben Signale ab, die durch die Phasendifferenz der Signale auf den Eingängen 9 und 10 bestimmt sind. Die Gleichrichter 13 und 14 unterdrücken an den Ausgängen 11 und 12 die Trägerfrequenz und liefern bipolare Fehlersignale an die Amplituden-Vergleichsschaltung Ein derartiges bipolares Signal weist die eine Richtung auf, wenn die Phase des Eingangs signals auf der Leitung 9 der Phase des Eingangs signals auf der Leitung 10 vorauseilt und die andere Richtung, wenn die umgekehrten Bedingungen vorherrschen. Daher wird am Ausgang 16 ein Frequenzsteuersignal abgegeben, das später beschrieben wird.

In Fig. 2 sind die bereits beschriebenen Elemente 2, 6, 8, 15 und wiederzuerkennen. Der Rückwärtswellenoszillator 21 ist ein entsprechender Mikrowellengenerator, der auf eine Stufensteuerspannung mit der eigenen Frequenz anspricht. Dem Eingang 18 wird ein Hauptzeittaktsignal zugeführt, das mit bekannten Einrichtungen erzeugt wird unddas in jedem Stufenwechsel der Ausgangsspannung des Treppenspannungsgenerators 19 ein Triggersignal darstellt. Der Stromkreis 19 enthält auch die Elemente, um die Treppenspannung am Ende jeder programmierten Strahlschwenkung zurückzustellen. Ein Phasenschiebersender 20 enthält Zähler oder andere logische Schaltkreise und einen Leistungsverstärker zur Steuerung des gesteuerten Phasenschiebers 17 nach einem vorbestimmten

109817/1348

J. J. Fling- 3 -8- 2043709

Schwenkprogramm. Dieser gesteuerte Phasenschieber 17 wurde experimentell zusammengebaut. Er enthält eine Hohlleiter-Gabelschaltung und elektronische Steuerkreise. Zwei der vier Gabeleingänge enthielten jeweils zwei Kurzschlußkreise. Ein Kurzschlußkreis war fest, während der andere über eine PIN-Diode, die in den Hohlleiter eingebaut war, elektrisch gesteuert wurde. Die PIN-Diode liefert die erforderliche Mikrowellen-Schaltenergie zur elektronischen Steuerung der Betriebsphase des Phasenschiebers 17. Für den Phasenschieber 17 können verschiedene, an sich bekannte elektronisch gesteuerte Schaltkreise in dieser oder einer anderen Technik eingesetzt werden.

Die Gabelschaltung 8, die Gleichrichter 13 und 14 und die Amplituden Vergleichsschaltung 15 stellen die Hauptelemente zum Phasenvergleich für den Betrieb der Analysenschaltung dar, die mit den Leitungen 4 und 5 des Serpentinen-Hohlleiters 2 beginnt und über die genannten Elemente der Vergleichsschaltung führt. Das Korrektursignal 16 gelangt über den Wendelhohlleiter-Treiber 21 zu dem Rückwärtswellengenerator 22 und dem Mikrowellen-Energieverteiler 23. Das Frequenz eingangs signal für den Serpentin en-Hohlleiter 2 wird über die Leitung 7, den Richtungskoppler 6 und die Leitung 4 zugeführt.

Der Rückwärtswellengenerator wird in Übereinstimmung mit einer der Wendel zugeführten Spannung in seiner Frequenz gesteuert. Da das Korrektursignal auf der Leitung 16 nach der Art einer Feineinstellung verwendet wird, wird es mit dem Ausgangs signal des Treppenspannungsgenerators 19 in dem Wendelhohlleiter-Treiber 21 gemischt. Der Mikrowellen-Energieverteiler, der

109617/1348

J. J. Fling - 3 - 9 -

2ÜA3709

einen Leistungsteiler enthält, gibt auch das Aus gangs signal 24 ab, das über Leistungsverstärker schließlich der Serpentinen-Haupthohlleiteranordnung 1 zugeführt wird. Auf der Leitung 25 wird das Signal des Rückwärtswellengenerators einem Überlagerungsstromkreis zugeführt, der ein Empfängeroszillatorsignal erzeugt, das mit der Frequenz des Rückwärts well enoszi-llators synchronisiert ist.

Bei der Fig. 3 wurde angenommen, daß der Frequenzsprung Δ f zwischen um Δ φ benachbarten Strahlstellungen 15 MHz ist. Es wird weiterhin angenommen, daß das Ausgangssignal der Phasenvergleichsschaltung den Rückwärtswellengenerator zwischen den Phasenmitnahmesteilungen langsam verstellt. Obwohl dies in der Praxis nicht buchstäblich zutrifft, gibt die Phasenvergleichsschaltungs-Ausgangskurve in Fig. 3 die Grenzwerte für das Signal auf der Leitung 16 an. Die gezeigte Schaltung kann selbstverständlich variiert und modifiziert werden, wobei das Grundprinzip beibehalten wird.

9 Patentansprüche

2 Bl. Zeichnungen, 3 Fig.

- 10 -

109817/1348

Claims

J. J. Fling -3 -10- 2 0 A 3 7 0

Patentansprüche

Radarsystem mit Strahlschwenkung durch Frequenzänderung mit einer Antennenanordnung, die aufeinanderfolgende Strahlerelemente trägt, die an aufeinanderfolgenden Speisepunkten einer Hohlleiter-Hauptübertragungsleitung gespeist werden, um einen Strahl auszusenden, dessen Abstrahlwinkel eine Funktion der Antennenerregungsfrequenz ist, und mit einem Mikrowellengenerator, der in Abhängigkeit von stufenweise veränderbaren Steuersignalen nach vorgegebenem Programm in der Frequenz einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang dieses Mikrowellengenerators mit dem Eingang einer Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung verbunden ist, die in ihrer elektrischen Länge auf eine Vielzahl von Wellenlängen der im Programm vorgesehenen Mikrowellenfrequenzen ausgelegt ist, daß das Signal am Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung bei jedem Frequenzwechsel des Mikrowellengenerators einen vorgegebenen Phasensprung ausführt, und daß eine Phasenvergleichsschaltung aus der Phasendifferenz der Signale am Eingang und Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung ein entsprechendes Korrektursignal ableitet, das den Mikrowellengenerator bis zur Phasengleichheit dieser beiden Signale in der Frequenz ändert.

- 11 -

109817/1348

J. J. Fling-3 - 11 -

2040709
2. Radar system nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasensprünge am Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung bei jedem Frequenzwechsel des Mikrowellengenerators 2> JT betragen.
3. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Frequenzwechsel des Mikrowellengenerators der ausgestrahlte Strahl um einen vorgegebenen Winkel verstellt wird.
4. Radarsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter-Hauptübertragungsleitung und die Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung in thermischer Verbindung miteinander stehen, um für eine bestimmte Frequenz des Mikrowellengenerators einen temperaturunabhängigen Winkel für den ausgesandten Strahl zu erhalten.
5. Radarsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupt-, und die Hilfsübertragungsleitung als Serpentinen-Hohlleiter ausgebildet sind.
6. Radarsystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator als Rückwärtswellengenerator mit einer Wendel als Frequenzsteuerelement aufgebaut ist, daß die Frequenzsteuersignale aus einer Treppenspannung der Programmsteuerung und den Korrektursignalen der Phasenveigeichsschaltung zusammengesetzt sind und daß diese zusammengesetzten Signale zur Frequenzänderung der Wendel dieses Rückwärtswellengenerators zugeführt werden.

- 12 -

1 Ö 9 8 1 7 / 1 3 A 8

J. J. Fling -3 -12- 2 ίΜ Ί 7 U
7. Radarsystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleichsschaltung eine abgeglichene Gabelschaltung enthält, deren Eingänge mit dem Eingang und dem Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung verbunden sind und daß die Ausgangssignale dieser Gabelschaltung getrennt gleichgerichtet und zur Erzeugung eines bipolaren Korrektursignals in der Amplitude miteinander verglichen werden.
8. Radarsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Hohlleiter-Hilfsübertragungsleitung und dem einen Eingang der Gabelschaltung ein steuerbarer Phasenschieber eingeschaltet ist, der eine Abweichung in dem von der Frequenz bestimmten Winkel des ausgestrahlten Strahles bewirkt.
9. Radarsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber in einem Winkelbereich von 2 .3f elektrisch einstellbar ist, wobei der Winkel des Strahles durch einen vorbestimmten Teil der Strahlbreite veränderbar ist und der Phasenschieber in der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frequenzänderungen des Mikrowellengenerators steuerbar ist.

109817/13^8

Lee rseite