DE2244724A1 - CONTROL DEVICE FOR AN ANTENNA LINE FOR GENERATING ELECTRONICALLY SWIVELING RADIATION DIAGRAMS - Google Patents
CONTROL DEVICE FOR AN ANTENNA LINE FOR GENERATING ELECTRONICALLY SWIVELING RADIATION DIAGRAMSInfo
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Description
Dipl. Phys. Leo ThulDipl. Phys. Leo Thul
Pat ent anwalt J 2 L L 7 9 L Patent attorney J 2 LL 7 9 L
Stuttgart 3οStuttgart 3ο
Kurze Straße 8Short street 8
J.A. Kuecken -2YES. Chick -2
INTEENATICMAL STAEDAED ELECTEIC COEPOEATION, EEV YOEKINTEENATICMAL STAEDAED ELECTEIC COEPOEATION, EEV YOEK
Steuereinriclitung für eine Antennenzeile zum Erzeugen elektronisch, schwenkbarer Strahlungsdiagramm^Control device for an antenna line to generate electronically pivotable radiation diagram ^
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine Antennenzeile zum Erzeugen eines elektronisch schwenkbaren ein- oder zweidimensionalen Sendeoder Empfangsstrahlungsdiagrammes, insbesondere bei solchen drahtlosen Verbindungen, bei denen Festfrequenzen abgestrahlt bzw. empfangen wacden.The invention relates to a control device for an antenna array for generating an electronically pivotable one- or two-dimensional transmit or receive radiation diagram, in particular in such wireless connections where fixed frequencies are transmitted or received.
Antennen, deren Strahlungsdiagramm elektronisch schwenkbar ist, sind bekannt. Die Strahlschwenkung erfolgt dabei dadurch, daß die einzelnen Strahler der Antenne vorzugsweise einer Antennenzeile mit progressiven Blasen der HF-Energie gespeist werden, wobei sich der Grundwert der Phase linear ändert.Antennas whose radiation pattern can be pivoted electronically are known. The beam swivel takes place in that the individual radiators of the antenna preferably have an antenna line progressive bubbles of the RF energy are fed, the base value of the phase changing linearly.
-2--2-
309812/0903309812/0903
J.A. Kuecken -2 - 2 -YES. Kuecken -2 - 2 -
Derartige Antennen sind im Kapitel 11, Seite 11-1 des "Radar Handbook von Merrill J. Skolnik, Mc G-raw Hill, 197°" ausführlich "beschrieben.Such antennas are in Chapter 11, Page 11-1 of the "Radar Handbook by Merrill J. Skolnik, Mc G-raw Hill, 197 ° described "in detail".
Die bekannten elektronisch steuerbaren Antennen haben jedoch noch einige Nachteile:However, the known electronically controllable antennas still have some disadvantages:
1. Es ist beispielsweise sehr schwierig, eine Antenne zu entwerfen, mit der ein Schwenkwinkel von mehr als ± 45° senkrecht zur Antennenachse erreicht werden kann.1. For example, it is very difficult to design an antenna with which a swivel angle of more than ± 45 ° perpendicular to the antenna axis can be achieved.
2. Bei großen Antennen steigt der Gewinn2. The gain increases with large antennas
etwa proportional mit der Anzahl derroughly proportional to the number of
4 Strahler, wobei beispielsweise 1o4 emitters, for example 1o
Strahler erforderlich sind um 43 db Richtwirkung zu erzielen.Radiators are required to achieve 43 db directivity.
Der erste Nachteil hat zur Folge, daß entweder 4 oder 5 Antennenzeilen notwendig sind, wenn eine Halbkugel vollständig bestrichen werden soll. Der zweite Nachteil bedingt eine große Anzahl Phasenschieber, wenn eine Strahlschwenkung in zwei Richtungen gefordert ist. Dabei ergibt sich die weitere Schwierigkeit, daß bei digitalen Phasenschiebern Phasenunstetigkeiten auftreten.The first disadvantage is that either 4 or 5 rows of antennas are necessary if a hemisphere is to be completely coated. The second disadvantage requires a large number of phase shifters if a beam swiveling in two directions is required is. The further difficulty arises that there are phase discontinuities in digital phase shifters appear.
Diese Phasenunstetigkeiten kann man gewissermaßen als zweite Antenne interpretieren, die fehlerhaft strahlt und deren Strahlungsdiagramm das erwünschte Strahlungs-These phase discontinuities can be interpreted as a second antenna that emits incorrectly and whose radiation diagram the desired radiation
—3——3—
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J.A. Kuecken -2 - 3 -YES. Kuecken -2 - 3 -
diagramm stört. Nimmt man an, daß die effektive Erregung der Fehler-Aperture gleich der Hälfte des !Fehlers des Phasenschrittes ist, dann erhält man die Tabellediagram bothers. Assuming that the effective excitation of the error aperture is equal to half the error of the Phase step, then you get the table
Phasenschritt im Bogenmaß angenäherter Fehler bei den Nebenkeulen Phase step in radians approximate error in the side lobes
άί 0 db (zwei Hauptkeulen)άί 0 db (two main lobes)
Λ/2 -8.3 dbΛ / 2 -8.3 db
Jl/4- -13-3 dbJl / 4-13-3 db
oT/8 -19.3 dboT / 8 -19.3 db
Der Nebenkeulenfehler kann sich spannungsmäßig zu den normalen Nebenkeulenwerten addieren.The sidelobe error can add up to the normal sidelobe values in terms of voltage.
Hieraus ersieht man, daß man eine erhebliche Anzahl Phasenschritte braucht, wenn man brauchbare Nebenkeulenwerte bei allen Schwenkwinkeln erreichen will. Nimmt man einen additiven Phasenschieber mit JT/4 Schritten, dann benötigt man 4- Bit zum schalten (22,5°, 45°, 9o° und 18o°). Bei einem nichtaddierenden Phasenschieber benötigt man dagegen 15 Bit. Diese Zahl ist mit der Anzahl der Strahler zu multiplizieren, da die Steuerung jedes Strahlers in der einen Koordinate unabhängig von der Steuerung in der anderen Koordinate erfolgt. Die Logik wird einfacher, wenn man eine matrixförmige Ansteuerung vornimmt, wobei jedoch eine zusätzliche Zeile oder Spalte Phasenschieber erforderlich ist.It can be seen from this that a considerable number of phase steps are required if one can obtain useful sidelobe values wants to achieve at all pivot angles. Take an additive phase shifter with JT / 4 Steps, then you need 4-bit to switch (22.5 °, 45 °, 9o ° and 18o °). For a non-adding Phase shifters, on the other hand, require 15 bits. This number is to be multiplied by the number of emitters, because the control of each radiator in one coordinate is independent of the control in the other coordinate he follows. The logic becomes simpler if one carries out a matrix-type control, but with an additional row or column phase shifter is required.
Bei Radarantennen kann die Strahlschwenkung vereinfacht werden, wenn man Frequenzabtastung verwendet. DabeiWith radar antennas, beam swiveling can be simplified when using frequency scanning. Included
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J.A. Kuecken -2 - 4 -YES. Kuecken -2 - 4 -
wird die Frequenz geändert, um die erforderlichen Phasenverschiebungen an Anzapfungen einer Verzögerungsleitung zu bekommen, und es ist somit jeder Strahlstellung eine Frequenz zugeordnet. Derartige Radarantennen werden im allgemeinen nur in einer Dimension elektronisch geschwenkt. In der anderen Dimension wird mechanisch geschwenkt. Man kann jedoch auch eine rasterförmige Strahlschwenkung erhalten, wenn man orthogonale Verzögerungsleitungen nimmt und die Frequenzänderung in einer Ebene um eine Größenordnung empfindlicher macht und die aufeinanderfolgenden zweiten, dritten usw. Hauptkeulen der schnell schwenkenden Ebene als eigentliche Hauptkeule verwendet. Die Abtastung ist dabei allerdings zwischen aufeinanderfolgenden Zeilen diskontinuierlich. Jede nutzbare Frequenz ist dabei einem Punkt auf einer der Rasterzeilen zugeordnet. Eine derartige Anordnung ist in der Radartechnik brauchbar, wenn die genaue Frequenz unwichtig ist, da der Oszillator des Empfängers der Sendefrequenz folgt. Diese Technik ist allerdings.nicht direkt bei Satellitenverbindungen verwendbar, bei denen die Frequenzen in beiden Richtungen festliegen.the frequency is changed to accommodate the required phase shifts at taps on a delay line and a frequency is therefore assigned to each beam position. Such Radar antennas are generally only swiveled electronically in one dimension. In the other Dimension is swiveled mechanically. However, a grid-shaped beam swiveling can also be used obtained by taking orthogonal delay lines and the frequency change in a plane by one Magnitude more sensitive and the successive second, third, etc. main lobes of the fast pivoting plane used as the actual main lobe. The scanning is, however, between consecutive lines discontinuously. Each usable frequency is based on a point assigned to one of the grid lines. Such an arrangement is useful in radar technology, if the exact frequency is not important, as the oscillator of the receiver follows the transmission frequency. This technique However, it cannot be used directly for satellite connections where the frequencies are in fixed in both directions.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine vereinfachte Steuereinrichtung für eine Antennenzeile oder eine Antennen-Matrix anzugeben, bei der die Strahlschwenkung durch progressive Phasenänderungen der von den Einzelstrahlern abgestrahlten HF-Energie erfolgt, bei der jedoch die Phasenänderungen durch Änderungen einer Steuerfrequenz hervorgerufen werden.It is the object of the invention to provide a simplified control device for an antenna array or a Specify antenna matrix in which the beam swiveling is caused by progressive phase changes of the individual radiators radiated RF energy takes place, in which, however, the phase changes due to changes in a Control frequency are caused.
-5-309812/090 3-5-309812 / 090 3
J.A. Eueeken -2 - 5 -YES. Eueeken -2 - 5 -
Diese Aufgabe wird bei einem eindimensional schwenkbaren Sendestrahlungsdiagramm dadurch gelöst, daß die beiden Seitenbänder einer festen und einer veränderlichen Frequenz gebildet werden,, daß eines der beiden Seitenbänder auf eine Verzögerungsleitung mit Anzapfungen, deren Abstände den Strahlerabstanden entsprechen, gegeben wird, daß die an jeder Anzapfung abgenommenen Signale einzeln zusammen mit dem anderen Seitenband auf je eine Mischstufe gegeben werden, deren Ausgänge mit den Strahlern der Antennenzeile verbunden sind, derart, daß von den Strahlern die doppelte jeweils um den erforderlichen Winkel phasenverschobene lestfrequenz abgestrahlt wird, wobei die Phasenänderung vom Wert der veränderlichen Frequenz abhängt.This task is with a one-dimensional pivotable Transmission radiation diagram achieved in that the two sidebands, one fixed and one variable Frequency are formed, that one of the two sidebands to a delay line with taps whose spacing corresponds to the radiator spacing, given that the signals taken from each tap individually along with the other sideband be given to one mixer each, the outputs of which are connected to the radiators of the antenna array, such that the emitters double the reading frequency, each phase shifted by the required angle is emitted, the phase change from Depends on the value of the variable frequency.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung laßt sich diese Steuereinrichtung auch zum Erzeugen eines eindimensional elektronisch schwenkbaren Empfangs strahlungsdia'-grammes verwenden.According to a further development of the invention, this can Control device also for generating a one-dimensional electronically pivotable reception radiation diagram use.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist die Steuereinrichtung für eine Antennen^Matrix zum Erzeugen eines ' zweidimensionalen elektronisch schwenkbaren Sendestrahlungsdiagrammes geeignet, wobei an jede Anzapfung der ersten Verzögerungsleitung zweite VerzÖgerungs·*·. leitungen angeschlossen sind, die soviel Anzapfungen haben, wie die Matrix Zeilen hat, . ,...'.According to another development, the control device for an antenna matrix for generating a ' two-dimensional electronically pivotable transmission radiation diagram suitable, with a second delay · * ·. lines are connected that have as many taps as the matrix has rows,. , ... '.
Diese letztgenannte Steuereinrichtung läßt sieii gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung zum Erzeugen eineσ in zwei Dimensionen elektronisch schwenkbaren Empfangsstrahlungsdiagrammes verwenden.This last-mentioned control device allows sieii according to Another development of the invention for generating a σ electronically pivotable in two dimensions Use the received radiation diagram.
309812/0903309812/0903
J.A. Kuecken -2 - 6 -YES. Kuecken -2 - 6 -
Diese Steuereinrichtung hat den Vorteil, daß sie beispielsweise für Ortungssysteme und für Radarsysteme verwendbar ist. Sie benötigt keine Langzeit-Stabilität der Steuerfrequenz.This control device has the advantage that they, for example for location systems and for radar systems is usable. It does not require long-term stability of the control frequency.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the figures, for example. Show it:
Fig. 1A eine Steuereinrichtung für eindimensionale Strahlschwenkung, 1A shows a control device for one-dimensional beam pivoting,
Fig. 1B das Frequenzspektrum des Steuerfrequenzgen-erators in Abhängigkeit vom Azimut-Schwenkwinkel ,1B shows the frequency spectrum of the control frequency generator depending on the azimuth swivel angle,
Fig. 2A eine Steuereinrichtung für zweidimensional©. Strahlschwenkung und 2A shows a control device for two-dimensional ©. Beam swivel and
Fig. 2B die Abhängigkeit von Steuerfrequenz und Elevationsßchwenkwink·!, 2B shows the dependence of the control frequency and elevation ßchwenkwink · !,
In der Fig. 1A ist die Steuereinrichtung zur elektronischen Strahlschwenkung hauptsächlich für ein Sende-In Fig. 1A, the control device for electronic Beam pivoting mainly for a transmission
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309812/0903309812/0903
J.A. Kuecken -2 - 7 -YES. Kuecken -2 - 7 -
Strahlungsdiagramm gezeigt. Durch sinngemäße Umkehr der Anordnung und Verwendung der Teile 12, 13 -> 14- und 15 ergibt sich eine Steuereinrichtung für ein Empfangsstrahlungsdiagramm. Radiation diagram shown. By analogous reversal of the arrangement and use of parts 12, 13 -> 14 and 15, a control device for a received radiation diagram results.
Die Frequenz f eines Festfrequenzgenerators 1 wird mit der Frequenz f eines Steueroszillators 2 in einer Mischstufe 3 gemischt. Deren Ausgangssignale, die auf den Leitungen 1o und 11 auftreten, sind das o"bere Seitenband f^+f^ und das untere Seitenband f -fo. Die Frequenz des Steueroszillators 2 ist im Frequenzbereich von Iy, - f veränderlich. Das untere Seitenband f -f gelangt auf eine Verzögerungsleitung 6 mitThe frequency f of a fixed frequency generator 1 is mixed with the frequency f of a control oscillator 2 in a mixer 3. Their output signals, which appear on lines 1o and 11, are the upper sideband f ^ + f ^ and the lower sideband f -f o . The frequency of the control oscillator 2 is variable in the frequency range of Iy, -f. The lower sideband f -f arrives at a delay line 6 with
O SO S
Anzapfungen A, B, C usw. Die Abstände der Anzapfungen der Verzögerungsleitung sind gleich und sie richten sich hauptsächlich nach dem Abstand zwischen den Strahlern 5· An den Anzapfungen A, B, C usw. der Verzögerungsleitung 6 tritt das untere Seitenband f -fTaps A, B, C etc. The spacing of the taps on the delay line are the same and they straighten mainly according to the distance between the radiators 5 · At the taps A, B, C etc. the Delay line 6 enters the lower sideband f -f
phasenverschoben auf. Die Phasenverschiebung ergibt sich aus:out of phase on. The phase shift results the end:
p »IT Tab")p »IT tab")
Phasenverschiebung zwischen A und B = ψ* = ——r—- (1)Phase shift between A and B = ψ * = ——r— - (1)
• -DD 'Ad• -DD 'Ad
im Bogenmaßin radians
worm:worm:
(AB) = d = Abstand der Punkte AB in Meter und(AB) = d = distance between points AB in meters and
χ Α Meter (2)χ Α meter (2)
OS OOS O
In Gleichung. (2); .ist c^ die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Verzögerungsleitung.In equation. (2) ; .is c ^ the speed of propagation in the delay line.
3098 12/09 0 33098 12/09 0 3
-8--8th-
J.A. Kuecken -2 - b - YES Kuecken -2 - b -
Die Anzapfungder Verzögerungsleitung 6 sind mit Mischstufen 4- verbunden, in denen das phasenverschobene untere Seitenband f - f jeweils einzeln mit demThe taps of the delay line 6 are with mixer stages 4- connected, in which the phase-shifted lower sideband f - f each individually with the
O SO S
oberen Seitenband f_+f„ gemischt wird. Da die Verzögerungs-upper sideband f_ + f "is mixed. Since the delay
O SO S
leitung 6 über die periodischen Anzapfungen A, B, C usw. das untere Seitenband fQ-f mit aufeinanderfolgenden in dem Beispiel linearen Phasenverschiebungen liefert, ist die gleiche Phasenbeziehung an den Ausgängen der Mischstufen 4- vorhanden, da bekannterweise Phasen beim Mischen nicht verändert werden. Durch Mischen des oberen Seitenbandes f +f mit den phasenverschobenen Signalen an den Ausgängen A, B, C der Verzögerungsleitung 6 fällt die Steuerfrequenz f heraus, so daß die N-Ausgänge der Mischstufen 4- alle die gleiche Frequenz haben, nämlich 2 mal die Festfrequenz fQ, wobei aber die Phasen erhalten bleiben. Die Ausgangssignale der Mischstufen 4 sind mit Strahlern 5 verbunden, die somit jeweils die gleiche Frequenz jedoch jeweils um einen bestimmten Winkel phasenverschoben abstrahlen. Wird f verändert, dann wird nur der Strahl geschwenkt, aber die abgestrahlte. Frequenz ändert sich nicht. Die teilweise erforderlichen Filter zur Aussiebung des geeigneten Seitenbandes sind nicht dargestellt.line 6 via the periodic taps A, B, C etc. supplies the lower sideband f Q -f with successive, in the example linear phase shifts, the same phase relationship is present at the outputs of the mixing stages 4-, since, as is known, phases are not changed during mixing . By mixing the upper sideband f + f with the phase-shifted signals at the outputs A, B, C of the delay line 6, the control frequency f drops out, so that the N outputs of the mixing stages 4- all have the same frequency, namely twice the fixed frequency f Q , but the phases are retained. The output signals of the mixing stages 4 are connected to radiators 5, which thus each emit the same frequency but each phase shifted by a certain angle. If f is changed, only the beam is swiveled, but the emitted one. Frequency does not change. The filters that are sometimes required to screen out the appropriate sideband are not shown.
Die Anordnung von Einzelstrahlern 5 kann beispielsweise eine Antenneiizeile sein, bei der alle Strahler längs einer Geraden angeordnet sind und bei der das Strahlungsdiagramm senkrecht zur Geraden entsteht. Die Strahler 5 können entweder Monopole oder Dipole sein, die so angeordnet und gespeist sind, daß sich das gewünschte Strahlungsdiagramm ergibt. Die Verzögerungsleitung 6 ist bekannt. Man benötigt etwa 1oo Strahler 5The arrangement of individual radiators 5 can, for example be an antenna line in which all radiators are arranged along a straight line and in which the Radiation diagram is created perpendicular to the straight line. The radiators 5 can either be monopoles or dipoles, which are arranged and fed in such a way that the desired radiation pattern is obtained. The delay line 6 is known. You need about 100 emitters 5
-9-309812/090 3-9-309812 / 090 3
J.A. Küecken -2 - 9 -YES. Chicks -2 - 9 -
und die gleiche Anzahl Mischstufen 4, um eine Strahlbreite von 1 zu erreichen.and the same number of mixing stages 4 to one beam width of 1 to achieve.
Bei der Anordnung nach der ITig, 1A kann man "beispielsweise mit der Strahlschwenkung bei O , d.h., senkrecht zur Achse der Antennenzeile, beginnen. Hierbei ist die Steuerfrequenz f so gewählt, daß sich eine ganzzahlige Wellenlänge J\ bezogen auf die Entfernungen d,d.h. AB, BC usw. ergibt. Bei einer Erhöhung der Steuerfrequenz f schwenkt der ,Strahl von der angegebenen Formalstellung (O0) nach rechts bis zu einem Winkel Oi= 45°- Es ist vorteilhaft, bei +45° eine Unterbrechung der Strahlschwenkung vorzusehen, wodurch eine Schwenkung zu Winkeln ^ 45 verwendet wird. Dies ist wünschenswert, da bei Strahlwinkeln ^> 45 der Strahl im allgemeinen unregelmäßig und nicht mehr scharf gebündelt wird. Außerdem tritt bei einer Erhöhung des Winkels über 45° eine zweite Hauptkeule auf, die 9o° links von der ersten Hauptkeule liegt. Sind aber zwei Hauptkeulen vorhanden, dann ist der Vorteil der elektronischen Strahlschwenkung mit einer scharfgebündelten Hauptkeule nicht mehr vorhanden^ Wenn man nicht Maßnahmen zur Unterdrückung der ersten'Haupt" keule ergreift.In the arrangement of the ITIG, 1A can be "for example, with the beam steering at O, that is, perpendicular to the axis of the antenna line start. In this case, the driving frequency f is chosen so that is an integer wavelength J \ based d on the distances, that is AB, BC, etc. If the control frequency f is increased, the beam swivels from the specified formal position (O 0 ) to the right up to an angle Oi = 45 ° - It is advantageous to interrupt the beam swivel at + 45 °, which uses a sweep to angles ^ 45. This is desirable because the beam is generally irregular and no longer sharply focused at beam angles ^> 45. In addition, if the angle is increased above 45 °, a second main lobe occurs, the 90 ° to the left of the first main lobe, but if there are two main lobes, the advantage of electronic beam swiveling with a sharply focused main lobe is no longer available ^ If one does not measure took to suppress the first 'main' club.
Wenn man eine kontinuierliche Strahlschwenkung bei weiterer Erhöhung der Steuerfrequenz f erreichen will, ohne daß dabei die zwei Hauptkeulen auftreten, dann ißt es erforderlich, den Steueroszillator 2 so auszulegen, daß sein Ausgangs signal bei derIf you can achieve a continuous beam swivel with a further increase in the control frequency f wants without the two main lobes occurring, then it is necessary to set the control oscillator 2 so to interpret that its output signal at the
quenz unterbrochen wird, die 45 entspricht« Diesequence is interrupted, which corresponds to 45 «Die
- r - r
3098 12/09Q33098 12/09 Q3
J.A. Kuecken -2 -Ιο-YES. Kuecken -2 -Ιο-
Unterbrechung muß jedoch sehr kurz sein. Oder anders ausgedrückt, wenn die Hauptkeule den Winkel von +45° erreicht, dann wird aus dem kontinuierlichen .Frequenzbereich von f ein kurzes Stück herausgeschnitten, derart, daß in der Zwischenzeit die erste Hauptkeule verschwunden und die zweite Hauptkeule bei einem Schwenkwinkel von -45 erscheint. Wird nun f weiterHowever, the interruption must be very short. Or different Expressed when the main lobe reaches the angle of + 45 °, the continuous frequency range becomes Cut out a short piece of f so that in the meantime the first main lobe disappeared and the second main lobe appears at a pivot angle of -45. Now f continues
stetig erhöht, dann schwenkt die zweite Hauptkeule von -45° über O0 zu +4-5°. Zu diesem Zeitpunkt wird f wiederum kurzzeitig unterbrochen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Bandbreite der Unterbrechung etwa der halben Keulenbreite entspricht.steadily increased, then the second main lobe swings from -45 ° via O 0 to + 4-5 °. At this point in time, f is again briefly interrupted. It should be noted that the bandwidth of the interruption corresponds to approximately half the beam width.
Es ist auch möglich, die Zeile so auszulegen, daß die Hauptkeule bei +45° Schwenkwinkel verschwindet. In diesem Falle sind die periodischen Unterbrechungen der Steuerfrequenz f , die in Fig. 1B gezeigt sind, nicht erforderlich. Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß die Unterbrechungen bzw. Unstetigkeiten der Steuerfrequenz f in der Fig. 1B und in der Fig. 2B nicht maßstabsgerecht eingezeichnet sind· Diese Figuren dienen nur dazu, das Vorhandensein dieser Unterbrechungen zu zeigen.It is also possible to lay out the line in such a way that the main lobe disappears at a swivel angle of + 45 °. In in this case the periodic interruptions of the control frequency f shown in Fig. 1B are not mandatory. It is also pointed out that the interruptions or discontinuities of the control frequency f are not drawn to scale in FIG. 1B and in FIG. 2B Figures are only used to show the presence of these breaks.
Der Steueroszillator 2 hat einen Frequenzbereich von f^ 1^f0 %f„. Die Steuerung kann so ausgelegt sein, daß das Ausgangssignal des Steueroszillators 2 mit der Frequenzf^ beginnt uirl sich die Frequenz kontinuierlich bis zur Frequenz f ändert und dann sofort auf die Frequenz f,, zurückschaltet und sich von dort wieder kontinuierlich erhöht, usw. DasThe control oscillator 2 has a frequency range of f ^ 1 ^ f 0 % f ". The control can be designed so that the output signal of the control oscillator 2 begins with the frequency f ^ uirl the frequency changes continuously up to the frequency f and then immediately switches back to the frequency f ,, and increases again continuously from there, and so on
-11-3098 1 2/0903 -11-3098 1 2/0903
J.A. Kuecken -2 - 11 -YES. Kuecken -2 - 11 -
Steuern kann a"ber auch, so "vorgenommen werden., daß beim Erreichen der Endfrequenz, f die-Eichtung um-■ gekehrt wird und die Frequenz langsam abnimmt "bis sie wieder £,, erreicht. Im letzteren !Falle ist es möglich, den Frequenzbereich von f-^ bis f kleiner zu wählen. .Control can, however, also be carried out in such a way that when the end frequency is reached, the direction is reversed and the frequency slowly decreases until it reaches £ " again. In the latter case, it is possible to to choose the frequency range from f- ^ to f smaller.
Die Langzeitstabilität des Steueroszillators 2 ist unwesentlich, da die Frequenz f sich bei der Erfindung heraushebt und nur 2f abgestrahlt wird.The long-term stability of the control oscillator 2 is insignificant, since the frequency f stands out in the invention and only 2f is emitted.
Im allgemeinen haben die Einzelstrahler gleiche gegenseitige Abstände. Man kann jedoch auch die Technik der unausgefüllten Aperture anwenden, wobei die Längen der Verzögerungsleitung zwischen den Anzapfungen proportional zu den Strahlerabständen sein müssen.In general, the individual radiators have the same mutual spacing. However, one can also use the technique of Apply the unfilled aperture, taking the lengths of the delay line between the taps must be proportional to the distance between the radiators.
Zum besseren Verständnis der elektronischen. Strahlschwenkung durch veränderliche Phasenverschiebungen wird auf das Buch "Antennas and Transmission Lines" von John A. Kuecken, Howard ¥. Sams & Company, 1969, verwiesen.To better understand the electronic. Beam pivoting through variable phase shifts is based on the book "Antennas and Transmission Lines" by John A. Kuecken, Howard ¥. Sams & Company, 1969, referenced.
Bei der Steuerung eines Empfangsstrahlungsdiagrammes xcLrd die Anordnung nach Fig. 1A so abgeändert, daß die Verzögerungsleitung 6 mittels eines Schalters SW an eine Leitung 12 angeschlossen wird, die zum einen Eingang einer Mischstufe 13 führt. Das andere Eingangssignal der Mischstufe 13 ist die Steuerfrequenz f . Das Ausgangssignal der Mischstufe.13 führt zum ZF-Teil und wird dort üblicherweise weiterverarbeitet. Bei dieser Betriebsart wird die ankommendeWhen controlling a received radiation diagram xcLrd modified the arrangement of FIG. 1A so that the delay line 6 by means of a switch SW is connected to a line 12 which leads to one input of a mixer 13. The other The input signal of the mixer 13 is the control frequency f. The output signal of the mixer 13 leads to the ZF part and is usually processed there. In this operating mode, the incoming
-12-309812/090 3-12-309812 / 090 3
J.A. Kuecken -2 - 12 -YES. Kuecken -2 - 12 -
Signalfrequenz 2f von den Strahlern 5 empfangen. Das empfangene Signal wird in den Mischstufen 4-so verarbeitet, daß jeweils das untere Seitenband f -f entsprechend der folgenden Beziehung ent-Signal frequency 2f received by the radiators 5. The received signal is processed in the mixer 4 so that the lower sideband in each case f -f according to the following relationship
steht:stands:
2fo - (fo + fs} = fo - fs 2f o - (f o + f s } = f o - f s
wobei das obere Seitenband f +f von der Mischstufe 3 zur Mischstufe 4- gelangt.the upper sideband f + f passing from mixer 3 to mixer 4-.
Das untere Seitenband f_-f_ am Ausgang der Verzögerungsleitung 6 wird dann mit der Steuerfrequenz f in der Mischstufe 13 gemischt, so daß sich das Ausgangssignal f ergibt. Dieses Signal f ist in diesem Falle die Zwischenfrequenz.The lower sideband f_-f_ at the output of the delay line 6 is then mixed with the control frequency f in the mixer 13, so that the Output signal f results. In this case, this signal f is the intermediate frequency.
In den Figuren 2A und 2B ist eine Steuereinrichtung zur zweidimensionalen elektronischen Strahlschwenkung eines Sendestrahlungsdiagrammes und eines Empfangsstrahlungsdiagrammes gezeigt, sowie die Abhängigkeit des Elevations-Schwenkwinkels von der Frequenz des Steueroszillators 2. In den Figw 2 sind für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 verwendet. Es wird im Folgenden die Steuerung des Sendestrahlungsdiagrammes beschrieben. Die Steuerung des Empfangsstrahlungsdiagrammes erfolgt entsprechend der Beschreibung zur Fig. 1.A control device for two-dimensional electronic beam swiveling is shown in FIGS. 2A and 2B a transmission radiation diagram and a reception radiation diagram are shown, as well as the dependency of the elevation swivel angle from the frequency of the Control oscillator 2. In FIGS. 2, the same reference numerals are used for the same parts as in FIG Fig. 1 is used. The control of the transmission radiation diagram is described below. the The reception radiation diagram is controlled in accordance with the description for FIG. 1.
-13--13-
309812/0903309812/0903
J.A. Kuecken -2 - 13 -YES. Kuecken -2 - 13 -
Die Anordnung nach der I1Ig. 2A unterscheidet sich von der Anordnung nach der Pig. 1A durch weitere Verzögerungsleitungen 16, 16', 16'' usw..die an den Anzapfungen A, B, G der Verzögerungsleitung 6 angeschlossen sind. Diese zweiten Verzögerungsleitungen haben selbst wieder Anzapfungen Aa, Ab, Ac ... Ba, Bb usw. wie bei 17 angedeutet. Die Anzapfungen sind wiederum mit Mischstufen 18 verbunden, wobei ebenfalls die von den Anzapfungen abgenommene Energie mit dem oberen Seitenband f_.+f_ gemischt wird. Die Strahler 19, 19' 5 19'' usw. sind jedoch matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet, so daß entsprechende Zeilen und Spalten von Mischstufen 18,· 18' , 18* ' usw. erforderlich sind.The arrangement according to the I 1 Ig. 2A differs from the arrangement according to the Pig. 1A through further delay lines 16, 16 ', 16''etc. which are connected to the taps A, B, G of the delay line 6. These second delay lines themselves again have taps Aa, Ab, Ac ... Ba, Bb etc. as indicated at 17. The taps are in turn connected to mixing stages 18, the energy taken from the taps likewise being mixed with the upper sideband f _. + F_. The radiators 19, 19 '5 19'', etc., however, are arranged in matrix form in rows and columns so that appropriate rows and columns of mixing stages 18, · 18', 18 * ', etc., are required.
In der Fig. 1A sind Ή Anzapfungen A, B, C der einen Verzögerungsleitung 6 erforderlich, wodurch schließlich Signale mit der Frequenz 2f und den Phasenverschiebungen o, \|T, 2ij", 3 >/? ..UfN auftreten. Bei der Anordnung nach Fig. 2A dagegen werden mit Hilfe der H" zweiten Verzögerungsleitungen 16, 16', 16'', die an den Anzapfungen der Verzögerungsleitung 6 angeschlossen sind, Signale mit der Frequenz 2f und den Phasen o,"UTA + IjTa,Ί1ΛΑ, + 2 y"a,. usw. in der ersten Zeile oder Spalte, und mit den PhasenIn FIG. 1A, Ή taps A, B, C of one delay line 6 are required, as a result of which signals with the frequency 2f and the phase shifts o, \ | T, 2ij ", 3> /? ..UfN occur 2A, however, with the aid of the H "second delay lines 16, 16 ', 16", which are connected to the taps of the delay line 6, signals with the frequency 2f and the phases o, "UTA + IjTa, Ί1ΛΑ, + 2 y "a ,. etc. in the first row or column, and with the phases
ζ B + „7a, JB + 2 Ja usw. in der zweiten Zeile und mit den Phasen \J Ή + \*J η, "U/U + 2 ./η usw. in der ΰ-ten Zeile abgestrahlt. ζ B + „7a, JB + 2 Ja etc. in the second line and with the phases \ J Ή + \ * J η, " U / U + 2 ./η etc. in the ΰ-th line.
Wir; in dor Anordnung nach Fig. 1A sind die Längen AB, HG usw. und A3A^5 A-^A0 usw. zwischen den Anzapfungen dor Verzögerungsleitungen proportional den AbständenWe; In the arrangement according to FIG. 1A, the lengths AB, HG etc. and A 3 A ^ 5 A- ^ A 0 etc. between the taps on the delay lines are proportional to the distances
309812/0903309812/0903
J.A. Kuecken -2 - 14 -YES. Kuecken -2 - 14 -
22U72422U724
der Strahler in jeder Zeile oder Spalte und nun auch proportional den Abständen zwischen den Zeilen. Die Figuren 1B und 2B zeigen zusammen die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2A. Wird die Frequenz f zwischen ί.Λ und f geändert, dann schwenkt der stark gebündelte Strahl in Azimutrichtung von links nach rechts, wie oben beschrieben. Sobald ein Schwenkwinkel von +45 erreicht ist, wird die Steuerfrequenz f , die zur Mischstufe 3 gelangt, innerhalb eines schmalen Frequenzbereiches unterbrochen, wie oben beschrieben. Als Folge hiervon wird die Strahlschwenkung in der Elevationsebene, wie Fig. 2B zeigt, ebenfalls unterbrochen. Fig. 2B zeigt, daß sich die Elevation kontinuierlich erhöht, wenn ein Azimutwinkel von -45° bis +45° bestrichen wird, wobei die Elevation bei dem nächsten Schwenkvorgang bei einem etwas größeren Winkel beginnt, als sie begonnen hätte, selbst wenn die Frequenz f nicht unterbrochen wordenthe radiator in each row or column and now also proportionally to the distances between the rows. Figures 1B and 2B together show the mode of operation of the arrangement according to the invention according to FIG. 2A. If the frequency f is between ί. If Λ and f are changed, then the highly collimated beam swings in the azimuth direction from left to right, as described above. As soon as a swivel angle of +45 is reached, the control frequency f, which reaches mixer 3, is interrupted within a narrow frequency range, as described above. As a result of this, the beam pivoting in the elevation plane, as shown in FIG. 2B, is also interrupted. Fig. 2B shows that the elevation increases continuously when an azimuth angle of -45 ° to + 45 ° is swept, the elevation in the next pivoting process begins at a slightly larger angle than it would have started, even if the frequency f not been interrupted
wäre. Es wird darauf hingewiesen, daß die Entfernung Z in der Fig. 2B, die der Unterbrechung der Elevation durch Abschalten der Frequenz f entspricht, in derwere. It should be noted that the distance Z in FIG. 2B, which corresponds to the interruption of the elevation by switching off the frequency f corresponds to in the
Elevation wesentlich kleiner ist als eine Keulenbreite. Somit ergibt sich, daß bei der Erhöhung von f die Elevation kontinuierlich linear zunimmt, wobei allerdings die periodischen Unterbrechungen: auftreten. Elevation is much smaller than the width of a club. Thus, it can be seen that when f the elevation continuously increases linearly, although the periodic interruptions: occur.
Wie oben erwähnt, ist es die Aufgabe der Erfindung, gemäß der Anordnung nach Fig. 2.den Strahl elektronisch in zwei Ebenen nämlich vertikal und horizontal zuAs mentioned above, it is the object of the invention, according to the arrangement according to Fig. 2, the beam electronically in two planes namely vertically and horizontally
-15--15-
309812/090 3309812/090 3
J. A. Kuecken -2 - 1b -J. A. Kuecken -2 - 1b -
schwenken. Eine weitere Aufgabe "besteht darin, eine Möglichkeit vorzusehen, die Strahlschwenkungen in der einen Ebene, im Beispiel in der Horizontal-Ebene eine Größenordnung empfindlicher zu machen, als in der anderen Ebene. Hierzu ist vorgesehen, den Strahl in der Horizontal-Ebene wesentlich schneller zu schwenken, als in der Vertikal-Ebene. Dies erreicht man, indem man das Verhältnis der Längen d und d1 zwischen den Anzapfungen der ersten Verzögerungsleitung 6 und den Anzapfungen der Verzögerungsleitungen 16, 16', 161' usw. entsprechend wählt. Im Beispiel wird die Länge AB wesentlich größer alssway. Another object "is to provide a way of making the beam swiveling in one plane, in the example in the horizontal plane an order of magnitude more sensitive than in the other plane. For this purpose, it is provided that the beam in the horizontal plane is much faster This is achieved by appropriately choosing the ratio of the lengths d and d 1 between the taps on the first delay line 6 and the taps on the delay lines 16, 16 ', 16 1 ', etc. Im Example, the length AB is significantly greater than
die Länge A A, gewählt. Auf diese Veise wird er-. a υthe length A A selected. In this way he will. a υ
reicht, daß die Schwenkung in der Horizontal ebene sehr schnell erfolgt, während die Schwenkung in der Elevations ebene wesentlich langsamer ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich, daß man bei einem einzigen Durchlauf des Frequenzbereiches einen recht großen Raumbereich sehr schnell elektronisch rasterförmig abtastet.is enough that the pivot in the horizontal plane takes place very quickly, while the pivot in the Elevation level is much slower. This measure results in that one with a single Electronically very quickly run through the frequency range over a fairly large area of space raster scanned.
Sowohl die erste Verzögerungsleitung 6 als auch die zweiten Verzögerungsleitungen 16,16', 16'' usw. genügen den Gesetzmäßigkeiten der Gleichungen (1) und (2). Wie erwähnt, liefert aber die Anordnung nach 3?ig. 2A eine schnelle Strahlschwenkung von links nach rechts und eine langsame Strahlschwenkung in der Vertikalrichtung. Es wird darauf hingewiesen, daß die interessierende Phasenverschiebung jedes Elementes allgemein ist:Both the first delay line 6 and the second delay lines 16, 16 ', 16' ' etc. satisfy the laws of equations (1) and (2). As mentioned, the arrangement delivers after 3? 2A a fast beam swivel from left to right and a slow beam swivel in the vertical direction. It should be noted that the phase shift of interest each element is general:
-ti/g = >γ- kyr (Bogenmaß)-ti / g = > γ- kyr (radians)
-16-309812/0 9 0 3-16-309812 / 0 9 0 3
J.A. Kuecken -2 - 16 -YES. Kuecken -2 - 16 -
wobei K eine ganze gerade Zahl ist. Oder anders ausgedrückt, die Strahlstellung wiederholt sich bei jeweils 2 3[ der Phasenverschiebung. Zwischen aufeinanderfolgenden Rasterlinien springt'Jum 2j\ , wodurch Unstetigkeiten im Frequenzspektrum auftreten. Um diese zu vermeiden, kann man geeignete Maßnahmen ergreifen, z.B. stark gebündelte Strahler vorsehen.where K is an even number. In other words, the beam position is repeated every 2 3 [of the phase shift. 'Jum 2j ' jumps between successive grid lines, causing discontinuities in the frequency spectrum. In order to avoid this, one can take suitable measures, for example using a strongly bundled radiator.
In der Anordnung nach den Fig. 1A und 2A werden die Ausgangssignale der Mischstufe 3? nämlich das obere Seitenband f +f auf die Mischstufe 4 (oder 18) gegeben, und das untere Seitenband f -f auf die Verzögerungsleitung 6. Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Zuordnung umzukehren. Man kann somit das obere Seitenband f_+f auf die Verzögerungsleitung 6 und das untere Seitenband f -f auf die MischstufenIn the arrangement according to FIGS. 1A and 2A, the output signals of the mixer 3? namely the upper one Sideband f + f on mixer 4 (or 18) and the lower sideband f -f on the delay line 6. It is of course also possible to reverse this assignment. So you can the upper sideband f_ + f on the delay line 6 and the lower sideband f -f on the mixer
ο sο s
4 oder 18 geben. Die Wirkungsweise ist dann dieselbe, wie oben beschrieben.Give 4 or 18. The mode of operation is then the same as described above.
4 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen4 claims
2 sheets of drawings
309812/090309812/090
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