DE2062896B2 - Method for phase calculation for an antenna operating with electronic beam swiveling - Google Patents
Method for phase calculation for an antenna operating with electronic beam swivelingInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Phasenberechnung für eine mit elektronischer Strahlschwenkung arbeitende Antenne, die aus in Zeilen und Spalten angeordneten Einzelstrahlern besteht, deren Stromphase jeweils über einen digitalen Phasenschieber, der von einem zugeordneten digitalen Mehrbit-Elementspeicher entsprechend der Summe aus vertikalen und horizontalen Phasenwerten gesteuert wird, eingestellt wird.The invention relates to a method for phase calculation for an electronic beam swivel working antenna, which consists of individual radiators arranged in rows and columns Current phase in each case via a digital phase shifter from an assigned digital multi-bit element memory is controlled according to the sum of vertical and horizontal phase values will.
Phasengesteuerte Antennen bestehen aus vielen einzelnen Strahlern, die auf einer ebenen Fläche in gewöhnlich orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet sind. Zur elektronischen Schwenkung des Richtdiagramms wird in die Speiseleitung jedes Einzelstrahlers ein Leitungsstück mit elektronisch veränderbarer elektrischer Länge, der sogenannte Phasenschieber, eingeschaltet. Die bei phasengesteuerten Antennen verwendeten Phasenschieber, z. B. Schaltferrite oder Schaltdioden, sind meistens vom digitalen Typ. Bei ihnen ist der die Phasenlage bestimmende Umweg nichtPhase-controlled antennas consist of many individual radiators that are placed on a flat surface in usually arranged in orthogonal rows and columns. For electronic swiveling of the directional diagram In the feed line of each individual radiator a line section with electronically changeable electrical length, the so-called phase shifter, switched on. The one with phased antennas phase shifter used, e.g. B. switching ferrites or switching diodes, are mostly of the digital type. at The detour that determines the phase position is not for them
ίο stetig, sondern nur in Schritten einstellbar. Die Berechnung der Umwege erfolgt in einem Phasenrechner und muß so schnell vorgenommen werden, daß die Arbeitsgeschwindigkeit des gesamten Systems nicht vermindert wird.ίο continuously, but only adjustable in steps. the The detours are calculated in a phase calculator and must be carried out so quickly that the The operating speed of the entire system is not reduced.
Im Radar-Anwendungsfall arbeitet der Phasenrechner zur Berechnung der Stromphasen jedes Einzelstrahlers eng mit dem Zentralrechner des Radargerätes zusammen.In the case of radar, the phase calculator works to calculate the current phases of each individual radiator closely with the central computer of the radar device.
Die Berechnung und die Einstellung der Umwege können grundsätzlich stetig unter Anwendung eines Analogrechners und eines Digitalrechners und digitaler Phasenschieber erfolgen.The calculation and setting of the detours can basically be carried out continuously using a Analog computer and a digital computer and digital phase shifter take place.
In nachteiliger Weise ist bei den analogen Phasenschiebern die mittlere Abweichung der Phase vom Sollwert ziemlich groß. Dadurch steigt der mittlere Nebenzipfelpegel auf einen zu großen Wert an. Die analoge Berechnung unter Verwendung analoger Phasenschieber ist aus der FR-PS 13 29 686 bekannt.A disadvantage of the analog phase shifters is the mean deviation of the phase from Setpoint quite large. As a result, the mean sidelobe level rises to a value that is too high. the Analog calculation using analog phase shifters is known from FR-PS 13 29 686.
Bei einer gemischten (hybriden) Ausführung wirdIn the case of a mixed (hybrid) version,
jo hinter einen Analogrechner ein Analog-Digital-Wandler
geschaltet. Eine solche Anlage, die z. B. aus der US-PS 33 45 631 bekannt ist, arbeitet etwa so schnell
wie die vorher beschriebene rein analoge Rechenwerkanlage. Der digitale Phasenschieber läßt sich im
Gegensatz zum analogen Phasenschieber mit geringeren Streuungen des Phasenwinkels bauen. Dieser
Phasenschieber kann entweder mit einem analogen oder digitalen Phasenrechner zusammenarbeiten.
Bei einem rein digitalen Phasenrechner wird zunächst der elektrische Umweg für jeden Einzelstrahler digital
berechnet. Es ist bekannt, diese Berechnung am Ort jedes Elementes individuell durchzuführen. Bei der
individuellen Phasenberechnung, die aus der FR-PS 14 60 030 bekannt ist, müssen folgende Rechenschritte
durchgeführt werden:jo an analog-to-digital converter connected behind an analog computer. Such a system that z. B. from US-PS 33 45 631, works about as fast as the previously described purely analog arithmetic unit. In contrast to the analog phase shifter, the digital phase shifter can be built with less scatter of the phase angle. This phase shifter can work with either an analog or digital phase calculator.
In a purely digital phase calculator, the electrical detour for each individual radiator is first calculated digitally. It is known to carry out this calculation individually at the location of each element. For the individual phase calculation, which is known from FR-PS 14 60 030, the following calculation steps must be carried out:
1. Multiplikation mit einem festen Wert zur Bildung der Spaltenphase,1. Multiplication by a fixed value to form the column phase,
2. Addition des Zeilenbeitrags. Der Zeilenbeitrag ist in einem eigenen Rechenwert schon vorher bestimmt worden,2. Addition of the line contribution. The line contribution is already in its own arithmetic value beforehand been determined
3. eine Division durch λ/λ™,, und Weitergabe des Divisionsrestes.3. Division by λ / λ ™ ,, and passing on the Division remainder.
Die Multiplikation läßt sich wie beim schriftlichen Multiplizieren im Dezimalsystem auf eine Folge von Additionen und Verschiebungen zurückführen. Entsprechend kann man die Division auf Subtraktion und Verschiebung aufbauen.The multiplication can be as with the written multiplication in the decimal system on a sequence of Return additions and shifts. Correspondingly, the division can be applied to subtraction and Build shift.
Weil bei dieser rein digitalen Lösung jedes Element ein eigenes Rechenwerk mit individuell programmierter bo Steuerung besitzt, ist jedoch die Realisierung außerordentlich aufwendig.Because with this purely digital solution, each element has its own arithmetic unit with individually programmed bo has control, but the realization is extraordinary laborious.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Phasenberechnung für eine mit elektronischer Strahlschwenkung arbeitende Antenne zu schaft>5 fen, das eine schnelle Berechnung einer Vielzahl von Phasenwerten ohne Belastung des Zentralrechners und mit geringerem Aufwand als bei der Einrichtung mit einem Rechenwerk pro Einzelstrahler ermöglicht. EsThe invention is based on the object of a method for phase calculation for an electronic Beam swiveling working antenna to shaft> 5 fen, which enables a large number of phase values to be calculated quickly without burdening the central computer and with less effort than when setting up with an arithmetic unit per individual radiator. It
soll dabei eine schnelle Umschaltung von einer otrahlrichtung auf die nächste gewährleistet sein.a quick switchover from one beam direction to the next should be guaranteed.
Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gemeinsamen vertikalen -, Phasenwerte der den Einzelstrahlern zugeordneten Phasenschieber innerhalb der einzelnen Zeilen in einem einzigen, taktgesteuerten Vertikal-Rechenwerk berechnet werden, daß diese berechneten vertikalen Phasenwerte im gleichen Takt in ein erstes Horizontal-Rechen- m werk einer Reihe von Horizontal-Rechenwerken eingegeben werden, von denen jedes einer Zeile zugeordnet ist, daß die vertikalen Phasenwerte bei jedem Takt in den Eingangsspeicher des jeweils nächsten Horizontal-Rechenwerks nach Art eines π Schieberegisters weitergegeben werden, daß im Horizontal-Rechenwerk jeder Zeile zu den gemeinsamen, im Vertikal-Rechenwerk errechneten vertikaler Phasenwerten die horizontalen Phasenwerte addiert werden, daß die Summe in denjenigen Elementspeichern, die der >o von einem Horizontal-Rechenwerk beaufschlagten Zeile angehören, der Reihe nach und im Takt abgespeichert wird, wobei die Berechnung des elektrischen Umwegs für den Phasenschieber eines Einzelstrahlers, der sich um einen bestimmten Betrag von >> seinem rechten und linken Nachbarn und um einen anderen bestimmten Betrag von seinem oberen und unteren Nachbarn unterscheidet, auf eine Addition in Addierwerken des Vertikal-Rechenwerks und der Horizontal-Rechenwerke zurückgeführt wird. inAccording to the invention, which relates to a method of the type mentioned at the outset, this object is achieved solved by the fact that the common vertical, phase values of the individual radiators assigned Phase shifter calculated within the individual lines in a single, clock-controlled vertical arithmetic unit are that these calculated vertical phase values in the same cycle in a first horizontal arithmetic werk a number of horizontal arithmetic units are entered, each of which is a line is assigned that the vertical phase values at each clock in the input memory of the respective next horizontal arithmetic unit in the manner of a π shift register are passed that in the horizontal arithmetic unit In each line, the horizontal phase values are added to the common vertical phase values calculated in the vertical arithmetic unit, that the sum in those element stores that the> o belong to a line acted upon by a horizontal arithmetic unit, one after the other and in time is saved, with the calculation of the electrical detour for the phase shifter of a single radiator, which is by a certain amount from >> its right and left neighbors and by one another certain amount differs from its upper and lower neighbors, on an addition in Adding units of the vertical arithmetic unit and the horizontal arithmetic unit is fed back. in
Es lassen sich jeweils gleichartige Schaltungen für die Horizontal-Rechenwerke bzw. für die Elementspeicher jedes Einzelstrahlers verwenden. Ferner ist ein großer verwendbarer Frequenzbereich gegeben. Dadurch, daß die Phase nicht am Ort jedes Einzelstrahlers in einem r> individuellen Rechenwerk aus Spalten- und Zeilenanteil zusammengesetzt wird, lassen sich Rechenwerke einsparen.Similar circuits can be used for the horizontal arithmetic units or for the element memories use each individual heater. Furthermore, there is a large frequency range that can be used. As a result of that the phase is not at the location of each individual radiator in an individual arithmetic unit made up of column and row components is put together, arithmetic units can be saved.
Die Phase des Phasenschiebers darf frequenzabhängig sein. Bei frequenzunabhängiger Phase wird die Richtung des Strahlungsmaximums frequenzabhängig. Wenn die elektrische Länge des Phasenschiebers frequenzunabhängig ist, ist auch der Ablenkwinkel frequenzunabhängig.The phase of the phase shifter may be frequency-dependent. In the case of a frequency-independent phase, the Direction of the radiation maximum depends on the frequency. When the electrical length of the phase shifter is frequency independent, the deflection angle is also frequency independent.
Für die Arbeitsweise und Arbeitsgeschwindigkeit ist -n es vorteilhaft, wenn das Vertikal-Rechenwerk und die Horizontal-Rechenwerke in Betrieb sind, während die Antenne sendet oder empfängt, wobei die nach Art eines Schieberegisters geschalteten Horizontal-Rechenwerke gleichzeitig arbeiten. '><>For the working method and working speed is -n it is advantageous if the vertical arithmetic unit and the horizontal arithmetic unit are in operation while the Antenna sends or receives, with the horizontal arithmetic units connected in the manner of a shift register work at the same time. '> <>
Zweckmäßig werden die neuen, in den Elementspeichern gespeicherten Phasenwerte erst nach einem Umschaltkommando an den Phasenschiebern wirksam.The new phase values stored in the element memories are only expedient after one Changeover command effective on the phase shifters.
Die Erfindung wird anhand eines in einer Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment shown in a figure.
In der Figur ist eine matrixartige Anordnung in Zeilen und Spalten von Elementspeichern ESP dargestellt, deren Speicherwerte in zugeordnete Phasenschieber P zur Phasensteuerung von Einzelstrahlern Seingegeben werden. Die Phasenschieber fund die Einzelstrahler S t>u sind nur für zwei Elementspeicher ESP dargestellt, sind jedoch für alle Elementspeicher ESP vorgesehen. Eingestellt werden die Elementspeicher ESP über ein Vertikal-Rechenwerk VRW, dem die Steuerfunktionen von einer Radarsteuerung R zugeführt werden, und je fe5 ein Horizontal-Rechenwerk pro Antennenzeile. Zunächst werden mit dem Vertikal-Rechenwerk VRWdie vertikalen Phasenwerte der einzelnen Zeilen berechnet.The figure shows a matrix-like arrangement in rows and columns of element memories ESP , the memory values of which are input into assigned phase shifters P for the phase control of individual radiators Se. The phase shifters and the individual radiators S t> u are only shown for two element stores ESP , but are provided for all element stores ESP . The element memories ESP are set via a vertical arithmetic unit VRW, to which the control functions are fed from a radar control R , and one horizontal arithmetic unit per antenna line for each fe5. First, the vertical phase values of the individual lines are calculated with the vertical arithmetic unit VRW.
AnschlieCend werden mit einem Horizontal-Rechenwerk HRW für jede Zeile zu den vertikalen Phasenwerten die horizontalen Phasenwerte hinzuaddiert und die in den Phasenschiebern einzustellenden Phasenwerte in den Elementspeichern ESP abgespeichert Hier stehen sie zur Einstellung der digitalen Phasenschieber P zur Verfügung. Then the horizontal phase values are added to the vertical phase values for each line with a horizontal arithmetic unit HRW and the phase values to be set in the phase shifter are stored in the element memories ESP. Here they are available for setting the digital phase shifter P.
Die vertikalen Phasenwerte werden nach folgender Gleichung berechnet:The vertical phase values are calculated using the following equation:
Vn= η V- K 'F< F.
Dabei ist
V = y- vertikales Phaseninkrement, V n = η V- K 'F <F. Where
V = y- vertical phase increment,
Iv = elektrischer Weg zwischen zwei vertikal benachbarten Antennenelementen, Iv = electrical path between two vertically adjacent antenna elements,
Km = max. verwendete Wellenlänge, Km = max. Used wavelength,
η = 1,..., NZahl der Additionen = Zeilennummer, η = 1, ..., N number of additions = line number,
N = Zahl der Zeilen, N = number of lines,
K' = 1,2,3... Faktor, K ' = 1,2,3 ... factor,
Λ = Betriebswellenlänge,Λ = operating wavelength,
Vn = vertikaler Phasenwert nach der /7-ten Addition, V n = vertical phase value after the / 7th addition,
F = -^- Verhältnis der Phasendifferenz q>mm bei F = - ^ - ratio of the phase difference q> m m at
der untersten Betriebsfrequenz fmm zur Phasendifferenz φ bei der momentanen Betriebsfrequenz / Beim Phasenschieber mit frequenzunabhängiger Phase ist F=I, beim Phasenschieber mit frequenzunabhängiger elektrischer Länge ist F=fmin/f oder F=k/km wenn k = c/f und km= c/fmi„ ist (c= Lichtgeschwindigkeit).the lowest operating frequency f mm to the phase difference φ at the current operating frequency / For the phase shifter with a frequency-independent phase, F = I, for the phase shifter with a frequency- independent electrical length, F = fmin / f or F = k / k m if k = c / f and k m = c / f m i " is (c = speed of light).
Wie die obige Gleichung zeigt, werden die vertikalen Phasenwerte Vn durch n-malige Addition des vertikalen Phaseninkrements V=IJXn, berechnet. Der Ausdruck K ■ Fwird so oft subtrahiert, bis Vn kleiner als F=klkm wird. Die Größen V und F werden von der Radarsteuerung zur Verfügung gestellt.As the above equation illustrates, the vertical phase values V n by n times of addition of the vertical phase increment V = IJX n is calculated. The expression K ■ F is subtracted until V n becomes smaller than F = klk m. The variables V and F are made available by the radar control.
Im Vertikal-Rechenwerk VR W wird außerdem aus dem horizontalen Phaseninkrement H=ItJkn, und der normierten Betriebsfrequenz F die Differenz H-F berechnet; diese Operation entfällt bei der Verwendung von Phasenschiebern mit frequenzunabhängiger Phase.In the vertical arithmetic unit VR W , the difference HF is also calculated from the horizontal phase increment H = ItJk n and the normalized operating frequency F; this operation is not required when using phase shifters with a frequency-independent phase.
Die Werte Vn, Hund gegebenenfalls H— Fwerden an das Horizontal-Rechenwerk HR W weitergegeben. Es ist eine Taktsteuerung vorgesehen, in der verschiedene Impulse erzeugt werden, die dafür sorgen, daß die Vorgänge im Vertikal-Rechenwerk richtig ablaufen.The values V n , Hund and possibly H- F are passed on to the horizontal arithmetic unit HR W. A clock control is provided in which various pulses are generated which ensure that the processes in the vertical arithmetic unit run correctly.
Für jede Zeile ist ein eigenes Horizontal-Rechenwerk HR W vorgesehen, das zu Vn, dem jeweiligen vertikalen Phasenwert, /η-mal das horizontale Phaseninkrement H=InIXn, hinzuaddiert entsprechend folgender Gleichung: A separate horizontal arithmetic unit HR W is provided for each line, which adds to V n , the respective vertical phase value, / η times the horizontal phase increment H = I n IX n , according to the following equation:
Hn,= Vn + mH- K"F< F. Dabei ist H n , = V n + mH- K "F <F. Where
Vn = vertikaler Phasenwert der η-ten Zeile, V n = vertical phase value of the η-th line,
H = InZkn, horizontales Phaseninkrement, H = I n Zk n , horizontal phase increment,
lh = elektrischer Weg zwischen zwei horizontal lh = electrical path between two horizontally
benachbarten Antennenelementen,neighboring antenna elements,
m = 1.2... Λ/Zahl der Additionen = Spaltennummer,m = 1.2 ... Λ / number of additions = column number,
M = Zahl der Spalten, M = number of columns,
K"= 1,2,3... Faktor, K "= 1,2,3 ... factor,
F = klkm normierte Wellenlänge, F = klkm normalized wavelength,
Hn, = Phasenwert nach der /η-ten Addition. H n , = phase value after the / η-th addition.
Die Berechnung der Phasenwerte innerhalb einer Zeile geht praktisch in gleicher Weise wie beimThe calculation of the phase values within a line is practically the same as with
Vertikal-Rechenwerk VR W vor sich.Vertical arithmetic unit VR W in front of you.
Zu dem vertikalen Phasenwert Vn, der sich wie beschrieben von Zeile zu Zeile um V= A/Am ändert, wird m-mal das horizontale Phaseninkrement H hinzuaddiert. Außerdem wird K"F subtrahiert, wenn Hm> F > wird. Vom Vertikal-Rechenwerk W? IV werden die Größen Vn, Hund gegegebenenfalls H-Fangeliefert. Die Eingangsspeicher aller Horizontal-Rechenwerke HR W bilden zusammen ein Schieberegister. Nach dem η-ten Schiebetakt stehen in jedem Schiebespeicher der ι» Horizontal-Rechenwerke HRWdie richtigen Eingangsgrößen. Bei Verwendung eines Phasenschiebers mit frequenzunabhängiger elektrischer Länge wird der eigentliche Rechenvorgang mit zwei Addierern vorgenommen. In einem Addierer wird die Summe ι Γ>The horizontal phase increment H is added m times to the vertical phase value V n , which changes from line to line by V = A / A m as described. In addition, K "F is subtracted when H m > F >. The vertical arithmetic unit W? IV supplies the quantities V n , Hund, possibly H- F. The input memories of all the horizontal arithmetic units HR W together form a shift register. After the η -th shift clock are in each shift memory of the ι »horizontal arithmetic unit HRW the correct input variables. When using a phase shifter with frequency-independent electrical length, the actual calculation process is carried out with two adders. In an adder the sum ι Γ >
Hm\ — Hm-1 + H
und im anderen Addierer der Ausdruck H m \ - H m - 1 + H
and in the other adder the expression
' 2»'2 »
berechnet.calculated.
Ist Hm<F, so wird der Ausdruck Hm\ über Auswahlgitter in Ausgangsspeicher eingeschoben. Wenn dagegen Hm> Fist, wird Hm2 eingespeichert.If H m <F, the expression H m \ is inserted into the output memory using a selection grid. On the other hand, when H m > Fist, H m2 is stored.
Dieser Vorgang wird durch einen Überlauf im 2r> zweiten Addierer gesteuert, der in der Taktsteuerung entsprechende Steuerimpulse für die Auswahlgatter auslöst.This process is controlled by an overflow in the 2 r > second adder, which triggers corresponding control pulses for the selection gates in the clock control.
Bei Verwendung von Phasenschiebern mit frequenzunabhängiger Phase wird nur ein Rechenwerk ge- J» braucht. Sobald Hm-\ + H größer als 1 ist, tritt ein Überlauf im Rechenwerk auf, der einer Verminderung des Ergebnisses Hn, um 1 entspricht. Dieses Resultat is korrekt, weil bei dem angenommenen Phasenschiebei stets F= 1 ist.When using phase shifters with a frequency-independent phase, only one arithmetic unit is required. As soon as H m - \ + H is greater than 1, an overflow occurs in the arithmetic unit, which corresponds to a reduction in the result H n by 1. This result is correct because, with the assumed phase shift, F = 1 is always.
Von den im Horizontal-Rechenwerk A/fllVberechneten Phasenwerten werden die höchstwertigen Bits ar die Elementspeicher ESP weitergegeben. Hier steher sie zur Einstellung der Phasenschieber Pbereit.The most significant bits ar of the phase values calculated in the horizontal arithmetic unit A / fllV are passed on to the element memory ESP. Here they are ready to set the phase shifters P.
Die Eingangsstufen der Elementspeicher ESP einet Antennenzeile bilden zusammen ein Schieberegister Nach dem M-ten Schiebeimpuls steht in dem Eingangsspeicher jedes Elementspeichers ESP der richtige Phasenwert. Mit einem Einschreibimpuls wird er in die Ausgangsspeicher übernommen.The input stages of the element memory ESP of an antenna line together form a shift register. After the Mth shift pulse, the correct phase value is in the input memory of each element memory ESP. It is transferred to the output memory with a write-in pulse.
Die Phaseneinstellung wird durch einen digita einstellbaren Phasenschieber P realisiert, der ir Abschnitte unterteilt ist, die für sich zwischen zwe verschiedenen elektrischen Längen oder Phasen umschaltbar sind. Die Phasen- und Längenunterschiede dei Abschnitte verhalten sich wie 1 : 2 :4 : 8 : 16 ... Bei If Phasenwerten hat der Phasenschieber P z. B. viei Abschnitte (4-Bit-Phasenschieber).The phase setting is implemented by a digitally adjustable phase shifter P , which is divided into sections that can be switched between two different electrical lengths or phases. The phase and length differences of the sections are as 1: 2: 4: 8: 16 ... With If phase values, the phase shifter P z. B. many sections (4-bit phase shifters).
Die Einstellung des Phasenschiebers Fkann in dieserr Beispiel durch eine vierstellig Binärzahl beschrieber werden. Die Kombination OLLO bedeutet zum BeispielThe setting of the phase shifter F can in this Example can be described by a four-digit binary number. The combination OLLO means for example
0 180°-Bit in Stellung 0°0 180 ° bit in the 0 ° position
L 90°-Bit in Stellung 90°L 90 ° bit in the 90 ° position
L 45°-Bit in Stellung 45°L 45 ° bit in the 45 ° position
0 22,5°-Bit in Stellung _JT0 22.5 ° bit in position _JT
Eingestellte Phase 135°Set phase 135 °
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |