DE2216952A1 - Phasenfeldantenne - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Abtastantennen für Radar und betrifft insbesondere Phasenfeldradarantennen.

Bei Phasenfeldradarantennen der in Rede stehenden Art werden die Strahlelemente in einem rechteckigen Feld von Zeilen und Spalten angeordnet, und die Übertragungssignale, die auf jede Spalte der Strahlelemente aufgegeben werden, sind bezüglich der auf die anderen Spalten der Elemente aufgegebenen Übertragungssignale phasenverschoben, um hierdurch den Strahl im Raum zu formen und einzustellen. Durch Wechsel der Phasenschiebungen für aufeinanderfolgende Impulse wird der Strahl zurück- und vorgeführt. Selbstverständlich können die Abtastraten wesentlich höher sein als dort, wo der Strahl von einem sich mechanisch drehenden Parabolreflektor geführt wird.

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ORIGINAL INSPECTED

Während Phasenfeld- oder elektronische Abtastradarantennen in Bodenanlagen verwendet v/erden können, sind sie insbesondere für die Anwendung bei der Luft- oder Bodenbeförderung geeignet, da ihre Konstruktion wesentlich leichter ist als die der sich mechanisch drehenden Parabolreflektorantennen. Beispielsweise kann eine Phasenfeldantenne in die Kanzel oder die Tragfläche eines Flugzeuges eingesetzt werden, ohne daß die Aerodynamik des Flugzeuges beeinträchtigt wird.

Das synchronisierte oder in die richtige Phase gebrachte oder Phasenfeld der Strahlelemente kann entweder durch vereinigte oder Serieneinspeisung zugeführt werden. Jeder Zweig kann einen Phasenschieber aufweisen, der auf digitale Weise elektronisch gesteuert ist. Die Phasenschieber können in ihrer Wirkung hin und her gehend oder nicht hin und her gehend sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Phasenfeldradarantenne, deren Strahl- oder Dipolelemente der Steuerung von An-Aus-Ferritphasenschiebern unterliegen, die in ihrer Wirkung nicht hin und her gehend sind und bei denen jeder Phasenschieber eine Mehrzahl von einzeln gesteuerten Ferriteinheiten aufweist, die im folgenden als "Bits" bezeichnet werden.

Es ist erfindungsgemäß von Vorteil, eine Phasenfeldradarantennenanlage mit einer Rasterplatte vorzusehen, die um die Mitte des Feldes schwenkbar ist, wobei die Rasterplatte von einem gemeinsamen Satz von einem Abtaststeuerschaltkreis gerichtet wird, der in erster Linie aus digitalen Zählern und logischen Schaltungen oder Logiken besteht, deren Ausgänge die Phasenschiebereinsätze für die Elemente auf jeder Seite des Feldes beschrei-

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ben und deren Ergänzungen oder Komplemente dieser Ausgänge die Einsätze der anderen Seite des Feldes beschreiben.

Von weiterem Vorteil ist es erfindungsgemäß, ein verbessertes Verfahren oder einen verbesserten Schaltkreis für die Verwendung von Stromimpulstreiberschaltungen vorzusehen, um die Vier-Bit-Binärphasenschieber der Antennenanlage zu steuern.

Während die Erfindung auf Systeme anwendbar ist, die Phasenschieber von einer anderen Zahl als 4 Bits verwenden, versteht es sich, ein System zu beschreiben, in dem Vier-Bit-Binärphasenschieber verwendet werden. Die 4 Bits werden in den Verhältnissen von 1,2,4 und 8 voreingestellt.

In einem linearen Phasenfeldradarantennensystem wird der Strahl durch die Steuerung der Relativphase der Mikrowellenenergie geführt, die von den Strahlelementen in linearer Weise emittiert

ig wird. Das Synchronisieren oder In^-die-richte-Phase-bringen der jedem Strahlelement zugeführten Energie muß proportional zum Abstand des Elementes von der Stelle auf dem Feld sein, um welches der Strahl erwünschtermaßen geschwenkt werden soll. Wenn die Elemente äquidistant beabstandet sind, dann wird die Mikrowellenenergie zu dem ersten Element von der Schwenkstelle durch einen Betrag von 0 geschoben, die Energie zu dem zweiten Element wird um einen Betrag von 2 0 geschoben, die Energie zu dem dritten Element wird um einen Betrag von 3 0 geschoben usw. Wenn die Phasenschiebungen über 360° redundant oder überzählig sind, schiene es angemessen, bei der Entwicklung eines Vier-Bit-Phasenschiebersystems das System auf der Basis einer additiven oder Zusatzeinheit der Phasenschiebung von 360/2 , oder 22-1/2

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auszubilden. Mehr technisch ausgedrückt schiene es, daß die additive oder Minimaleinheit der Phasenschiebung Δ0 (2ΪΓ Radians oder Kreisgrade)/2ⁿ wäre, wo η die Zahl der Bits ist. Somit wäre für einen Vier-Bit-Phasenschieber die kleinste Einheit der Phasenschiebung Δ0 2fi/2⁴ = 2ΪΓ/16 = ΪΓ/8 Radians oder 22-1/2°. Somit hätte das kleinste An-Aus-Phasenschieberbit einen Phasenzuwachs von entweder 0 bei Aus oder 22-1/2° bei An. Jedes der anderen Dreiphasenschieberbits hätte Werte von entweder 0 bei Aus oder 2 mal den Wert eines der anderen Phasenschieberbits bei An. Dementsprechend würden die Bits des Vier-Bit-Phasenschiebers auf dieser Basis Phasenschiebungen von 0 bei Aus oder von 22-1/2° oder 45° oder 90° oder 180° bei An ausführen. Es versteht sich, daß die Phasenschiebung auf dieser Basis, die durch jedes der Verklinkferritbits eingeführt ist, 0 ist, wenn das Ferritbit in einem seiner zwei Zustände ist, Aus genannt, und bei 22-1/2 oder 45° oder 90° oder 180° wäre, wenn das Ferritbit in seinem anderen Zustand ist, An bezeichnet.

Es ist oben erwähnt, daß es ein Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist, eine Phasenfeldradarantennenanlage mit einer Rasterplatte zu schaffen, die um die Mitte des Feldes schwenkt und in der die Abtaststeuerschaltung Komplemente zur Steuerung einer Hälfte des Feldes verwendet. Bei der Verwendung der Komplementsteuerung steuert ein einzelner Steuerdraht zwei Phasenschieberbits, eines auf jeder Seite des Feldes. Ein Impulssignal auf diesem Draht setzt ein Ferritbit auf einer Seite des Feldes in einen besonderen Zustand (1 oder 0) und setzt das entsprechende Ferritbit auf der anderen Seite des Feldes in das Komplement

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(O oder 1). Leider ist das auf diese Weise erhaltene Komplement das "Einser"-Komplement, auch als vermindertes Basiskomplement bekannt, statt das erforderliche "Zweier"-Komplement. Das "Zweier" -Komplement oder Basiskomplement unterscheidet sich von dem ¹¹ Einser "-Komplement durch 1 Bit des untersten oder kleinsten Bits. Man betrachte die folgende Binärzahl - 0110. Das "Einser"-Komplement (die Bits umgekehrt) ist 1001, aber das gewünschte "Zweier"-Komplement ist 1010, welches 1 Bit größer ist.

Es gibt verschiedene Wege, das Extrabit zu addieren. Ein Weg wäre durch binäre Addierer. Ein anderer Weg wäre durch Addition einer kleinsten Bitphasenschiebung auf jedes Antennenelement auf der Seite des Feldes unter Verwendung des Komplements. Somit würde ein Ti78-Phasenschieber zusätzlich zu dem regulären Vier-Bit-Phasenschieber verwendet.

Die andere Verwendung für das Komplement liegt im Schalten des Feldes vom übertragen auf die Aufnahme. Wie oben erwähnt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Nichtwechselphasenschieberwirkung. Bei Nichtwechselphasenschiebern muß das Feld" unmittelbar dem Übermittlungsimpuls folgend in die AufnahmeStellung geschaltet werden. Dies kann man dadurch tun, daß man die Komplemente zum Schalten des "Feldes verwendet. In einem solchen Falle ist das "Einser"-Komplement korrekt, wenn jeder Phasenschieber in der entgegengesetzten Richtung zum Übermittlungszustand magnetisiert werden muß. Das Extrabit, das jedem Element addiert wird, welches vor der Übertragung das Komplement aufnimmt, muß auch umgekehrt werden. Wenn der Strahl anfänglich rechts von der Normalen abgetastet wird, dann nimmt der linke Satz der Phasenschieber die

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Binärzahl auf, und die rechte Seite nimmt das Komplement plus 1 Bit auf. Dies ist äquivalent der Schaffung negativer Phasenschiebungen nach rechts. Wenn der Strahl links von der Normalen abgetastet, dann verwendet die rechte Seite die Binärzählung, und die linke Seite nimmt das Komplement plus 1 Bit auf. Deshalb muß das Extrabit auf der rechten Seite sein, wenn der Strahl sich rechts befindet und muß auf der linken Seite sein, wenn sich der Strahl links befindet.

Es versteht sich aus den obigen Ausführungen, daß dort, wo die kleinste Bitgröße durch das Verhältnis Δ0 » 2 ^/2ⁿ bestimmt wird und ein Extrabit erforderlich ist und addiert wird, jeder binäre Phasenschieber 5 Bits hätte, von denen zwei kleinste Bits wären. Ferner wäre ein Extratreiber auf jeder Seite des Feldes erforderlich, um alle acht der kleinsten Bits in Einklang einzugeben oder zu entfernen.

Wie oben erwähnt, bestand ein Merkmal der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer AbtastSteueranlage für eine Phasenfeldradarantenne, wodurch die Notwendigkeit des Extrabits vermieden ist.

Das obige Merkmal sowie auch die anderen oben erwähnten Merkmale der Erfindung werden dadurch gewährleistet, daß man eine Abtaststeueranlage vorsieht, in der die binären Phasenschieber eine kleinste Bitgröße verwenden, welche durch die Gleichung Λ0 = 2fT/(2ⁿ - 1) bestimmt ist, statt durch die Gleichung Δ0 = 2fi/'2ⁿ, wie oben diskutiert. Sonst schlägt die vorliegende Erfindung vor, daß das kleinste Bit der binären Phasenschieber

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eine solche Größe hat, daß die Summe der Bits der Phasenschieber sich auf 2?Γ Radians oder 360° belaufen, statt auf 360° minus 22-1/2°.

Die vorliegende Erfindung schafft also eine Abtaststeueranlage für eine Phasenfeldradarantenne, in der die binären Phasenschieber eine minimale Bitgröße haben, welche durch die folgende Gleichung bestimmt ist: Λ0 = 2ϊΓ/(2^η -1). Somit ist für einen Vier-Bit-Phasenschieber, wo η = 4 ist, die kleinste Bitgröße 36O°/(16 -1)= 24°.

Im folgenden ist eine Genauigkeitstabelle für η = 4 und eine Bitgröße angegeben, die durch die Gleichung Δ0 = 360°/(2ⁿ - 1) gegeben ist:

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cr> cn

"i

Tabelle I

Tabelle für die Bitgröße Δ0 ^β 2*Ü/(2ⁿ - 1) für n =

	'. Phasenschiebersteuersignale> 16TT/15 8rr/15 4rr/l5 2ττ/15	0 1	0 1	0 1	. . ι -ι	ο ι 360 j
Serienein- gangsimpuls- zahl	0 1	0 1	0 1	1 0	" I Gesamtphasenschiebung ϊ Radian. Grad '	24 ! 336 i
0 0'	0 1	0 1	1 0	0 1	0 2ττ	48 \ 312 !
1 I1'	0 1	0 1	1 0	1 0	2rr/l5 28ττ/15	ι 72 ! 288 !
2 2'	0 - 1	1 0	0 1	0 1	4TT/15 26ττ/ΐ5	96 ' 264
coco	0 1	1 0	0 1	1 0	6π/ΐ5 24ΤΓ/15	' 120 240
4 4'	0 1	• 1 0	1 0	0 1	8π/ΐ5 22π/15	144 216
.5 51 v	0 1 ■	1 0	1 0	1 0	ΙΟΐτ/15 20ττ/15	168 192
/ 6 6'	0 1		12ϊτ/15 18τγ/15
7 7'	14-Π/15 16-ΓΤ/15

1
0

0 1

16ΤΓ/15

1W15

192

168

NJ

CD CO

cn

NJ

Fortsetzung von Tabelle I

co ο co

Serienein- gangsimpuls- zahl	Phasenschiebersteuersignale J f i*# * CT Φ * ι /if C ti- *i^IJx " *} Ii / /f*	0 1 ,	0 ■1	- 1 0	Gesamtphasenschiebung Radian Grad	216 4 144 η	1	ISJ NJ
9 91	1 0	0 1	1 0	0 1	I8rr/15 12tt/15	24Ö 120	] -1 ä \ 1	cn Ni
10 r · ίο»	1 0	0 " 1	1 0	■ · 1 0	20ΓΓ/15 lOn/15	264 96	r
11 11«	1 0	1 0	0 1	ö : 1	22tt/15 8τγ/15	288 72
• "12 12'	1. .0	1 0	• 0 · 1	1 O-	24ΤΓ/15 6τγ/15	312. 48
;'-· ' 13 1 13'	1 0	1 0	1" 0	0 1'	26τγ/15 • 4rr/l5	336" 24
·■ -' ■ 14 ■■ . " 14'	• 1 0'	1 . 0	OM.	1 0	28tt/15 2tt/15	360 0
'.-· "■ * 15 ·.'■' '■ ■.' 15'	1 ■'■'■ • 0	0 1	:0 : •1 ' ·	0 .1	2tt Λ'.' 0	360
' 7 : 16 ■ 1 16',	■ 0 · 1	Der Strich bezeichnet das Einser-Komplement			0 2tt

Die Durchsicht der obigen Tabelle für Vier-Bit-Phasenschieber mit einer Bitgröße gemäß der Gleichung Δ0 ■ 2T/(2ⁿ - I), wo η = 4 ist, zeigt das folgende:

a) Das "Einser"-Komplement ist ausreichend, da die Summe der Phasenschiebung plus der komplementären Phasenschiebung für jede Zahl 360° ist.

b) Die Phasenschiebung beläuft sich auf 360° (oder 0°) auf beiden Zählungen 15 und 16. Deshalb besteht eine überzählige Einstellung oder ein überzähliges Setzen, und Zählung 15 muß vermieden werden. Dies kann man durch Addieren einer Extrazählung, wenn 15 erreicht ist, durchführen. Dies kann durch die Verwendung eines Zählers für jedes Dipolelement auf einer Seite des Feldes getan werden.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren der Bestimmung der kleinsten Bitgröße der Phasenschieber durch die Beziehung 40 = 2ii7(2ⁿ - 1) hat den zusätzlichen Vorteil, wie oben erwähnt, daß die Zahl der Treiber vermindert wird, die sonst erforderlich wäre.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Diagramm unter Darstellung einer vereinigten Beschickung eines 17-Dipolfeldes und der Abtaststeuerung hierfür,

Fig. 2 ein Blockdiagramm unter Darstellung der Steueranlage für den Vier-Bit-Ferritphasenschieber eines der Dipolelernente,

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■■» Tl HB

Fig. 3 ein Blockdiagramm unter Darstellung der Impulseingänge zu den binären Zählern,

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab die Mäanderlinie eines Phasenschiebers ,

Fig. 5 im Schnitt die Ansicht eines Ferritphasenschiebers unter Darstellung des Ferrittorjfoids,durch dessen Mittelöffnung die Mäanderlinie hindurchläuft, .

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Vier-Bit-Ferritphasenschiebers unter Darstellung der Vier-Ferrittor^oide,

Fig. 7 ein schematisches Diagramm der hier bevorzugten Treiberanlage und

Fig. 8 eine schematische Ansicht der Rücksetztreiber.

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm unter Darstellung der vereinigten Einspeisung zu einem erläuternden Radarfeld, das 17 Dipolelemente breit und 8 Dipolelemente hoch ist. Jeder Phasenschieber FS speist 8 vertikal eingereihte Dipolelemente. Das 17 Dipol breite Feld ist auf jeder Seite eines Mittelelementes EC symmetrisch, wobei die Elemente auf der einen Seite von der Mitte als El bis E8 und als El' und E8· auf der anderen Seite bezeichnet sind- Eine Hybrid- oder Differentialanordnung wird verwendet, um die Energie gleichmäßig auf die 8 vertikal eingereihten Dipole zu verteilen, die durch jeden Phasenschieber gespeist sind.

Es sei angenommen, daß die Antenne bei 10 Ghz (Gigahertz) betrieben wird, welches 10 Billionen Schwingungen pro Sekunde entspricht. Eine VJellenlänge bei dieser Frequenz hat eine Länge von etwa 2 cm (etwa 0,8 Zoll), und dementsprechend ist jedes Dipolele-

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ment etwa 1 cm (0,4 Zoll) lang. Das ganze Dipolfeld nimmt einen rechtwinkligen Bereich von 30 cm Breite (12 Zoll Breite) und 15 cm Höhe (6 Zoll Höhe) ein.

In Fig. 1 ist ein übertrager T für das Aufbringen des Mikrowellenradarimpulssignals R auf das 17 Dipole breite Feld über einen Übertragerempfänger TR-Kasten gezeigt. Folgt man der Übertragungsoder Sendeperiode, so kann eine Zeitdauer von 5 bis 10 Mikrosekunden zum Umschalten des Feldes vom Senden auf Empfang oder in den Hörzustand gestattet sein. Die Hördauer kann beispielsweise etwa 950 Mikrosekunden sein. Folgt man der Empfangs- oder Hörperiode, so können 50 Mikrosekunden zum Umschalten vom Sendezustand und für das Einstellen des Strahls in eine neue Stellung gestattet sein. Während der 50 Mikrosekunden, die zum Umschalten vom Empfang auf Senden gestattet sind, liefert der Abtastgenerator SG die notwendigen Impulsabtastsignale S, um die Vier-Bit-Ferritphasenschieber FS in die An-Aus-Zustände zu bringen, die für die Bestimmung der neuen Strahlstellung notwendig sind.

Zur Vereinfachung der Zeichnung stellen in Fig. 1 die mit FS bezeichneten Rechtecke nicht nur die Vier-Bit-Ferritphasenschieber FS dar, sondern auch ihre Steuerbestandteile einschließlich Zähler, logische Schalter, Stromtreiber usw. Weitere Einzelheiten dieser Steuerbestandteile sind schematisch in den Fig. 2, 7 und 8 gezeigt.

Wir wenden uns wieder Fig. 1 zu. Das dargestellte Feld enthält 17 gleichmäßig beabstandete Elemente, und es ist erwünscht, den Strahl um das Mittelelement des Feldes zu schwenken. Deshalb ist ein Mittelstrahlelement EC mit B symmetrisch auf jeder Seite der

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Mitte angeordneten Elementen vorgesehen. Jedem Strahlelement ist ein Vier-Bit-Phasenschieber zugeordnet, um das Synchronisieren oder Einstellen in die richtige Phase der dem Element zugeführten Energie zu steuern.

Da das Feld symmetrisch zu seiner Mitte aufgebaut ist, um den Strahl zu führen, hat die Phaseneinstellung der Mikrowellenenergie, die bei einem Element auf einer Seite des Feldes erforderlich ist, denselben Grad, oder dieselbe Ordnung, aber entgegengesetztes Vorzeichen wie jenes hat, welche bei dem entsprechenden Element auf der anderen Seite erforderlich ist. Beispielsweise sind in Fig. 1 die Elemente mit El bis E8 auf der einen Seite der fitte, mit Fl' bis E3· auf der anderen Seite und mit EC für die Mitte bezeichnet, und es ist bestimmt, daß zur Lenkung oder Führung des Strahles unter einem besondern Winkel die Mikrowellenenergie von E6 es erfordert, daß sie um einen Betrag in der Phase verschoben wird, so dann nuß die Energie von E6' um einen betrag von -0 in der Phase verschoben werden. Da die Phase eine Relativmessung ist, werden negative Phasenschiebungen dadurch realisiert, daß man 360 - 0 nimmt. In ähnlicher Weise sind Phasenschiebungen, die größer als 360° sind, überzählig, und es ist nur notwendig, daß die Phasenschieber den Bereich von 0 bis 360 abdecken.

^r/iie in den Fig. 2, 3, 6 und 7 gezeigt ist, ist jeder Phasenschieber aus 4 Ferritkernen oder Bits aufgebaut, wobei die Bits in den relativen Verhältnissen von 8, 4, 2 und 1 voreingestellt oder bewertet sinda Die Ferritbits sind Vorrichtungen mit zwei Zuständen, die von Zustand zu Zustand durch Stronimpulstreiberschaltungen

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geschaltet werden, die von der Abtaststeuerschaltung kommen. Ein Zustand der Ferritbits ist als ein Aus-Zustand bezeichnet und wird als Bezugs zustand genommen. I'Jenn das Bit auf seinen An-Zustand geschaltet ist, ist die zusätzliche Phasenschiebung über jener infolge des Bezugszustandes realisiert. A^Tenn alle vier Bits des Phasenschiebers in ihren Ein-Zuständen sind, hat man 360° der Phasenschiebung erhalten. Theoretisch könnte der Vier-Bit-Phasenschieber zur Teilung der 360 in Inkremente oder Differentiale von 22-1/2 verwendet werden. Es wird hier jedoch angegeben, daß infolge der Eigenschaft des Phasenschiebers und der linearen Phasenfeldantennenanlage Vorteile bestehen, um das etwas größere Differential der Phasenschiebung von 24° zu verwenden. Dementsprechend ist dieses das Differential der Phasenschiebung, die in den Phasenschiebern der vorliegenden Anmeldung verwendet wird.

Wenn das Phasenschiebersetzen durch eine Binärzahl ABCD dargestellt ist, wo Acem3-Bit, B dem 4-Bit, C dem 2-Bit und D dem l-3it zugeordnet sind, und wo A, B, C und D eine binäre Zahlendarstellung von 1 oder 0 haben, jeweils entsprechend den Ein- und Aus-Zuständen der Bits, dann zeigt die folgende Tabelle II die möglichen Phasenschiebereinstellungen, die aus den Vier-Bit-Phasenschiebern erhältlich sind.

Tabelle II

Grade Phasenschiebung

O 24 48

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Λ	B	C	2	D
	Bits	O
3	4	O	1
0	0	1	0
O	O	1
O	O	O

0 0 11 72

0 10 0 96

0 10 1 120

0 110 - 144

Olli 168

10 0 0 192

10 0 1 ■ 216

10 10 240

10 11 264

110 0 288

110 1 312

1110 ■ 336

1111 360

Ein erster Vorteil des 24°-Phasenschieberdifferentials besteht darin, daß die negativen Phasenschiebungen, die dadurch realisiert sind, daß man 36O° - 0 nimmt, leicht aus dem Abtaststeuerschaltkreis erhältlich sind. Wie man aus Tabelle II sehen kann, ist für jede der möglichen Phasenschiebungseinstellungen der Wert 360° - 0° dessen Komplement. Das betreffende Komplement einer Binärzahl wird durch einfache Veränderung der Einsen (l's) zu Nullen (O's) und Nullen (O's) zu Eisen (l's) erhalten. Beispielsweise ist aus Tabelle II das Phasenschiebungseinsetzen für 96° (0100). Das negative Phasenschieben von -96° würde das entsprechende Komplement (1011) sein, das eine Phasenschiebung von 264° darstellt und 360 - 96° ist.

Im Digitalschaltkreis der Abtaststeuerung, wo das primäre Steuerelement der Flip-Flonschaltkreis ist, sind die Normale 1 (1)

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und die Umgekehrte Null (O)-Ausgange beide direkt erhältlich, und somit ist auch für jedes Phasenschiebungseinsetzen der Zahl die entsprechende Komplementzahl für die entsprechende negative Phasenschiebung erhältlich.

Eine andere Verwendung des entsprechenden Komplements der Phasenschiebungseinsetzung besteht im Schalten des Feldes von einem Sende- zu einem Empfangszustand. Der Phasenschieber ist eine nicht wechselnde Vorrichtung. Die für die ,^Mikrowellenenergie notwendige Phasenschiebung ist, wenn sie zu den Strahldipolelementen im Sendeaustand zugeführt wird, unterschiedlich von jener des Empfangszustandes, wenn die aufgenommene Energie von den Elementen gesammelt wird. Das Phasenschiebersetzen oder -einstellen für den Empfang muß das entsprechende Komplement des Sendesetzens sein, da jedes Phasenschieber-Ferrit-Bit in den entgegengesetzten Zustand seines Sendezustandes geschaltet werden muß. Deshalb wird unmittelbar vor der Sendeimpulszeit in jeder Radarimpulsviederholungsperiode ein Sendestrahl-Führungswinkel in die Phasenschieber eingegeben. Dann wird unmittelbar nach der Sendeimpulszeit das betreffende Komplement jeder der Phasenschiebereinstellungen für den Empfangsstrahl-Führungswainkel eingegeben.

Um die Phasenschiebereinstellungen für jeden der Strahlführungswinkel der Antennenabtastung zu erzeugen, verwendet die Abtaststeuerschaltung 8 Vier-Bit-Digitalzähler. Jeder Zahler ist einem Paar Phasenschiebern zugeordnet und in entsprochenden Laaen auf gegenüberliegenden Seiten des Feldes angeordnet, nies ist in Fig. 7 gezeigt. Der dem "Tittelelement des FeIdos zugeordnete Phasenschieber benötigt Leinen ^Mhler, da seine Phasenschiebur* ^r.·-·

3 0 9 8 A 2 / 0 6 6 4

- η

-2216352

einstellung konstant bei o^u bezüglich der Phasenschieber^ für alle strahlführungswinkal gshalte.r« wird» Di© erzeugte Antennenabtastung ist einseitig gerichtet„ beginnend bei nahezu 45 links von d>-r "Jornalen zur Fsldmitt-a und abtastend bis nahesu 45° rechts von der y.o cm al en zur Feluiäittec

Die Vier-3it~Digitals£hler sind aus Flip-Flops aufgebaut„ wobei sowohl die normalen Eins (I)-als auch die umgekehrten Hull (O)-Ausgänge vorgesehen aincU Die Zähleratasgeiage sind vorgesehen _v um die Schaltungen auszutasten_? wo die geeigneten Ausgänge ausgewählt sind,- und zwar je nach dem ob es eine Sende- oder Empfangsühasenschiebereinsteltt-rg ist_t Di© Äwagäsge dar Äustastsehaltkreise trie gern die StroraimpuisfcrGibersshaitungen^ die die Phasenschieber--Ferrit-Bitin gesignete Ziistäaäe schalten«. Ein zweiter Vorteil der 24°"Phaseiischieberdifferentiais besteht daxin, daß es erlaubt, die Sani der Stromirapulstreiberschaltungen die bei den Phasenschiebern erforderlich sind„ miniHial zn halten» Wie oben eiwähnt, ist die Phasenschiebereinstellung eines Elementes auf einer Seite des Feldes intimer das betreffende Komplement der Einstellung des entsprechenden Elementes auf der anderen Seite des Feldes, Dies ist der Fall, ob es eine Sende™ oder eine Empfangseinstellung ist«

Der zur Schaltung der Ferrit-Bits der Phasenschieber.erforderliche Stromimpuls muß relativ stark, in der Größenordnung von 5 Ampere, sein. Da viele Ferrit-Bits gleichzeitig geschaltet werden ir.üssen, läge eine große Spitzenbeanspruchung während der Schaltzeit, airf aera !Jetzteil der Anlage, wenn die Treiberschaltungen den notwendigen Strom direkt von der Zufuhr bzw. vom Netz ziehen könnten. 309842/0664

Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 8 dargestellt, ist jede Treiberschaltung mit einem Speicherkondensator zur Speicherung der Energie versehen, um einen ausreichenden Strom-impuls zur Schaltzeit vorzusehen. Während der Radarimpulsperiode kann sich der Kondensator für die nächste Schaltzeit wieder aufladen. Auf diese Art und Weise ist die Spitzenbeanspruchung des Netzes vermindert. Wegen der Wiederaufladezeit der Treiberschaltungsspeicherkondensatoren ist eine Treiberschaltung aber ...ht in der Lage, sowohl in der Sende- als auch Empfangsphaa'v>--chiebun?seinstellung für das Setzen oder die Einstellung verwendet zu werden. Wegen der Art und Weise, in der die Treiberschaltungen erfindungsgemäß jedoch verwendet werden, hat diese Beschränkung keinerlei Konsequenz, Es ist niemals notwendig, dieselbe Sinstellungstreiberschaltung sowohl für die Sende- als auch Empfangseinstellungen in derselben Radarimpulsperiode zu verwenden. Die Zahl der Treiberschaltkreise ist, wie in Fig. 7 gezeigt, dadurch minmal gehalten, daß eine Treiberschaltung verwendet wird, um entsprechende Bits in entsprechenden Phasenschiebern auf jeder Seite des Feldes zu setzen bzw. einzustellen. Beispielsweise werden das Bit 4 von E6 und das Bit 4 von E6¹ beide von derselben Treiberschaltung eingestellt. Eine Summe von 32 Einstelltreibern ist somit für die Elemente El bis E8 und Zl¹ bis ES¹ erforderlich. Das Verfahren zum Eintreten der Phasenschiebungs-

ein
einstellungen in Paar entsprechender Phasenschieber - eine auf

jeder Seite des Feldes - wird wie folgt beschrieben:

Schritt 1: Unmittelbar vor der Sendezeit werden alle Bits des Phasenschiebers auf der linken Seite des Feldes für den Eins (I)-

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Zustand freigegeben, und jene auf der zechten Seite werden für den Null (O)-Zustand freigegeben« Diese Tätigkeit wird von den Freigabestromimpulstreifoerschaltungen GLR in Fig. 7 durchgeführt.

Schritt 2: Die Sendephaser^schiebereiriStelliingen werden durch die ^T-instellungs-Stromimpulstr8iber eingegeben=, Dia Richtung der Stror.irapulse in ihrem Verlauf durch die Ferritkerne der Phasen-=· schieber bewirkt, daß die Bit=gustKnde- auf der linken Seite des Feldes von einer Eins (I) sur "Juli (O) und jene auf der rechten ^r;eite von ⁷TuIl (O) nach Eins (1) geschaltet werden.

Schritt 3: Das Radar sendet dann seine Mikrowellenenergie,,

Schritt 4; Die Phasenschieber-Bits auf der Haken Seite des Feldes werden dann wieder zum Eins (I)-Zustand und auf der rechten ~eite EUiP. iJull (O)-Zustand durch den Freigahestromimpulstreiber CLR freigegeben.

Schritt 5: Die Empfangsphasenschiebereinstellungen werden von den Einstellstromimpulstreibern eingegeben, Die Einstellungen bleiben bis zur nächsten Radarimpulsperiode.

Ein Beispiel der obigen Folge von Fällen ist folgendes:

Schritt " Links Rechts

8 4 2 1 8 4 2 1

1 1111 0000

2 1 0 1 i 0100

3 Senden

4 1111 0000

5 0100 1011

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Man erkennt, daß der Einstellstromimpulstreiber für Bit 4 nur während des Schrittes 2 verwendet wird, und die Einstellstromimpulstreiber für die Bits 1, 2 und 8 nur in Schritt 5 verwendet werden. Somit wird nur immer ein Einstellstromimpulstreiber lediglich einmal für eine Radarimpulswiederholungsperiode verwendet.

Da die Rücksetztreiber zweimal während jedes Sende-Empfangszyklus betätigt werden müssen, sind die Rücksetztreiber dual, wie in Fig. 8 gezeigt ist. D.h. zwei Rücksetztreiber sind mit jeden Rücksetzdraht verbunden, da die Speicherkondensatoren Cl oder C2 nicht in der Lage sind, sich in der begrenzten Zeit zwischen zwei Rücksetztätigkeiten (weniger als 50 Mikrosekunden) wieder aufzuladen.

Eine bevorzugte Konstruktion der Vier-Bit-Ferritphasenschieber ist in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. Jeder der Vier-Bit#-Ferritphasenschieber besteht aus drei folgenden Grundkonfigurationen:

a) Die grundsätzliche Mäanderlinie ML auf der Tellit (tellite)-Tafel Te, wie in Fig. 4 gezeigt ist;

b) die Ferrittor*Oide FT und Tellit Te zwischen den Grundebenen GP, wie in Fig. 5 gezeigt ist; und

c) die Ferrittor/oide FT, die Isolationsabstandhalter I und die Verklinksdrähte LW, wie perspektivisch in Fig. 6 gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 besteht die grundsätzliche Mäanderlinie ML aus 22 Kupferleitungen, die wie dargestellt angeordnet sind. Jede Leitung kann eine Breite von 0,0317 cm (0,0125 Zoll) haben und liegt im Abstand von 0,635 mm (0,025 Zoll). Die Mäan-

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derlinie ML ist in der Tellittafel Te eingeschlossen, wobei ein Dielektrikum mit niedrigem Verlust (Polyolefin) eine Dielektrizitätskonstante von 2,38 hat. Die Tellitverkleidung erhöht die Leistungsfähigkeit bezüglich der Spitzenleistungbetriebsabwicklung erheblich.

Die vier rechteckigen Ferrittorjfoide PT werden ■ einer naah dem anderen über das Ende der eingekapselten Mäanderlinie ML und entlang der Mäanderlinie in die in Fig. β gezeigten Stellungen geschoben. Die in Fig. 6 gezeigten relativen Stellungen sind bevorzugt, aber nicht wesentlich. Bei der in Fig» β dargestellten bevorzugten Anordnung ist das erste Perrittor^oid, das äwcch das Senderadarsignal R auf der Strecke vom Sender T zv, den Dipolelementen E angetroffen werden muß,, der 192^o-¥erzögerangskera (8 Bits), der nächsteder 24 -Verzögerungskern (1 Bit)„ dann der 48°-Verzögerungskern (2 Bits) und schließlich der 96°-Verzögerungskern (4 Bits). Jeder Ferrittorjfoid oder Kern ist von seinem Nachbarn durch Abstandshalter aus Isoliermaterial I getrennt«, Diese Abstandshalter I schaffen eine adäquate magnetische Xsolierung zwischen Bits. Die gegenüberliegenden Enäen der Mäanderlinie ML arbeiten als äußerer Impedanzanpassungstransformator_f wenn das Radarsignal vom Tellit zum Ferrit und umgekehrt lauft.

Bei den zur Darstellung beschriebenen Phasenschiebern hat dia 192^Ö-Verzögerung (8 Bits) eine Breite von 0,686 -era (0^270 Zoll) aus Ferrit, die 24°-Versögerung (1 Bit) hat eine Breite von 0,102 cm (0,040 Zoll) aus Ferrit,, die 48°-Verzögerung (2 Bits) hat eine Breite von 0,165 cm (0,065 Zoll) aus Ferrit und die 96°-Verzögerung (4 Bits) hat eine Breite von 0,463 cm (0,160 Zoll;

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aus Ferrit. Die gesamte Breite (oder Länge entlang der Mäanderlinie) der Vier-Einheit oder des Vier-Bit-Phasenschiebers beträgt 2,085 cm (0,821 Zoll).

Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des Phasenschiebers. Die eingeschlossene Mäanderlinie ML geht durch die Zentralbohrung des rechteckigen Ferrittorroides FT. Das Tor/oid kann eine Höhe von 0,267 cm (0,105 Zoll) haben. Eine Grundplatte GP aus Aluminium oder Kupfer wird sowohl auf die obere als auch auf die untere Seite des Ferrittor/oids gelegt und durch eine Tellitisolierung Te mi*-, einer Dicke von 0,0495 cm (0,0195 Zoll) getrennt.

Im folgenden wird die Steuerung der binären Phasenschieber beschrieben. Jeder Satz der Vier-Bit-Phasenschieber, die einem Strahlelement zugeordnet sind, kann durch einen Binärzähler gesteuert werden. In der Anlage der vorliegenden Erfindung besteht jeder Binärzähler aus vier Stufen von Flip-Flops in Serie. Die Zahl der Eingangsimpulse zu jedem Zähler muß proportional der Stellung des Dipolelementes bezüglich der Bezugsstelle sein. Für ein Feld, bei dem die Dipolelemente gleichmäßig beabstandet sind, und mit der Bezugsstelle auf einem Dipol, z.B. dem Mitteldipolelement EC, sind die Eingangsimpulse zu jedem Zähler proportional der Elementzahl. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Durch Verwendung einer Bitgröße, die durch die Gleichung 40 = 2n/-(2ⁿ - 1) bestimmt ist, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen,ist das kleinste Bit 24°, wobei η = 4 ist. Das geeignete entsprechende Komplement ist dann direkt von dem Binärzähler erhältlich, obwohl die Redundanz in den Impulszahlen 15 und 16 durch den Schaltkreis wie oben beschrieben ist, eliminiert werden muß.

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Im folgenden ;*"ird die logische Schaltung oder die Logik beschrieben. Wie oben erwähnt, kann jeder Satz von Phasenschiebern, der einem Antennenelement zugeordnet ist, durch einenBinärzähler gesteuert werden. Der das Enddipolelement, das am weitesten von der Mitte des Feldes entfernt liegt, steuernde Zähler nimmt alle Eingangsimpulse auf, und die Phasenschiebung des Endelementes wächst direkt mit der Zahl der Singarigsimpulse. Ideal wäre es, wenn die Phasenschiebung in jedem der anderen Elemente dann proportional dem Produkt der Elementlage bezüglich der Mitte des Feldes und der Phasenschiebung in dem Endelement wäre. Dies kann im folgenden für ein 17-Elementenfeld ausgedrückt werden, wobei das Endelement das achte Elemente von der Mitte ist»

worin N die Zahl des Elementes ist, gezählt von der Mitte aus, 0. = Phasenschiebung im N-ten Element, 0_p Phasenschiebung im achten Element, P = Zahl der Eingangsimpulse, Δ0 = kleinste Bitgröße.

Aus dem Obigen erkennt man, daß die Phasenschiebung in dem N-ten Element nicht notwendigerweise ein ganzzahliges Vielfaches von der kleinsten Bitgröße ist. Da nur diskrete Differntiale in der Phasenschiebung von den Ferritphasenschiebern erhältlich sind,

ganzmuß die Phasenschiebung im N-ten Element auf das nächste zahlige Vielfache der kleinsten Bitgröße aufgerundet v/erden. Die Impulse, dia jeder Zähler aufnehmen muß, um die geeigneteÄufrundung zu geben, sind in Tabelle II unten zusammengesteilt:

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Tabelle II

Zahl der Eingangsimpulse Elementenzahl 12345678

1 00010000

2 00100 100

3 01001010

4 01011010

5 10101101

6 11011011

7 11101111

8 . 11111111

Die '"Einsen" in einer besonderen Reihe der Tabelle II zeigen die Impulse an, die zum Zähler geschickt werden müssen. Beispielsweise muß der den dritten Satz der Phasenschieber steuernde Zähler die zweiten, fünften und siebten Impulse aufnehmen. Bei einigen Beispielen fällt der Wert der Phasenschiebung im neunten EIe-

mitten
ment/zwischen zwei ganzzahlige Vielfache der kleinsten Bitgröße. In diesen Fällen sind die in Tabelle II gezeigten Werte ausgewählt worden, um den Fehler bei dem Strahlrichtwinkel minimal zu

sich halten. Die Mahlen in Tabelle II wiederholen alle acht Impulse.

Das Ende des Abtastzyklus kann durch das Abtasten eines einheitlichen Zustandes von 5 Bits aus der Summe von 32 Bits abgetastet werden, wobei er aus 4 Bits bei jedem der 8 Ferritbasenschieber besteht. 3in einheitlicher Zustand besteht beispielsweise, wenn der Zähler FF für das Dipolelement Nr. 8 gleich QlOO und das Element Nr. 1 Zähler 0110 ist.

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In der Anlage der vorliegenden Erfindung ist es nur notwendig, Sanier vorzusehen, um die Spur einer Hälfte des Feldes zu halten« Die andere Hälfte des Feldes wird von dem Komplement gesteuert» Anders ausgedrückt: Es ist nur notwendig, die Phasenschiebungseinstellungen auf einer Seite des Feldes auszurechnen„ da die andere Seite das direkte entsprechende Komplement ist. Das entsprechende Komplement ist direkt aus den Vier-Bit-Binärzählern FF erhältlich, deren jeder aus vier in Serie liegenden Flip-Flops besteht.

Die vorgeschlagene Anlage gestattet erwünschtenfalls die Verwendung eines einzigen Treibers für entsprechende Bits auf den zwei Seiten des Feldes.

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Claims (17)

1. Patentansprüche

   c) eine Kopplungseinrichtung zur Zweigkopplung zwischen der Signalquelle und den einzelnen Elementen des Feldes,

   d) Phasenschieber in den einzelnen Zweigen der Kopplungseinrichtung ,

   e) einen Impulssignalabtastgenerator,

   f) Impulszähler und

   g) eine Einrichtung zum Verkoppeln des Abtastgenerators über Impulszähler an einzelne Phasenschieber in verschiedenen Zweigen zur Steuerung der Zustände der Phasenschieber und hierdurch Steuerung der Phasenschiebung des Mikrowellensignals in jedem Zweig, wenn es dort hindurch zu seinem entsprechenden Strahlelement läuft.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Phasenschieber mehrere einzelne Ferriteinheiten aufweist, deren jede eine unterschiedliche Größe hat zur Einführung einer Phasenschiebung entsprechend einem einer Reihe von binären Bits.
3. 3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferriteinheit, die eine Phasenschiebung entsprechend dem kleinsten Bit einführt, eine Größe zur Einführung einer Phasenschiebung gleich 36O°/2ⁿ - 1 hat, wobei η gleich der Zahl der Ferriteinheiten in den Ferritphasenschiebern ist.

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4. 4. Anlage nach iispruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stnass© der Phasenschiebungen, die durch mehrere einzelne Fersritphasenschiebereinheiten in jedem Phasenschieber einführbar ist_ff gleich 360° ist.
5. 5. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet _s daß die Phasenfeldantennenanlage zwei komplementäre Seiten hat? tvofoei jede Seite eine gerade Zahl von Strahle leinen ten auf jeder Seite von einem Mittelelement aufweist, dassweiterhin die Kopplungseinrichtung eine Anordnung ist, die auf jeder Seite des Zweiges 3um .■littelstrahlelement symmetrisch ist, und daß jeder Ferritphasea™ schieber auf einer Seite des Mittelzweiges einen entsprechenden Perritphasenschieber auf der anderen Seite des Mittelzweiges aufweist.
6. 6. Anlage nach Anspruch 5, daduerch gekennzeichnet ₇ daß θΙώ 2iiip?ils°·

   zähler für jeden Phasenschieber in jedem 5?weig nt-:r auf siiiräi: Seite des Mittelzweiges vorgesehen ist.
7. 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszähler mehrere bistabile Schaltungen, die in Serie liegen, aufweisen.
8. 8. Anlage nach Anspruch 5_r dadurch gekennzeichnet, daß eiae Treibereinrichtung zum Treiber, der Ferritphassnschieber vorgesehen ist«,
9. 9. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß η gleich 4 ist und die Phasen Schiebung, die durch' die Minimalferriteiisheiten einaeführt ist, wenn sich die Einheiten in einem Zustand befinden, gleich 24 ist.

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10. 10. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß η gleich 4 ist und die Phasenschiebungen, die durch die vier Ferriteinheiten in dem einen Zustand eingeführt sind, gleich 24°, 48°, 96° und 192° sind.
11. 11. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Treibereinrichtung zum Treiben entsprechender Ferritphasenschiebereinheiten auf zwei Seiten des Antennenfeldes vorgesehen sind.
12. 12. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung eine vereinigte Speisung zwischen der Mikrowellensignalquelle und den einzelnen Elementen des Feldes aufweist.
13. 13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig der vereinigten (corporate) Speisung eine Mäander linie auf v/eist, daß die Phasenschiebereinheiten Ferrittor^oide sind, durch deren ausgerichtete Mitten die Mäanderlinie läuft, und daß jede Ferrittor^oideinheit des Phasenschiebers eine unterschiedliche Breite entlang der Mäanderlinie gegenüber den anderen Tor/oideinheiten desselben Phasenschiebers hat.
14. 14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Tor/foid mit der größten Breite und der größten Phasenschiebung weiter vom Strahlelement entfernt ist als die anderen Torroide desselben Phasenschiebers.
15. 15. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebereinstellung eines Elementes auf einer Seite des Feldes das entsprechende Komplement der Einstellung des entsprechenden

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    Elementes auf der anderen Seite des Feldes ist, und zwar sowohl während der Sende- als auch Empfangseinstellung.
16. 16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltkreise mit Speicherkondensatoren zum Sammeln der Energie während der Radarimpulsperiode versehen sind, um'einen ausreichenden Stromimpuls zur Schaltzeit vorzusehen.
17. 17. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Satz Treiber für jedes Paar entsprechend der Ferrittoroide vorgesehen ist und daß ein getrennter Dual-Rückset2- oder Freigabetreiber für jedes Paar entsprechender Vier-Bit-Phasenschieber vorgesehen ist.

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