DE2332783A1 - CIRCUIT FOR PHASE CALCULATION FOR AN ANTENNA WORKING WITH ELECTRONIC BEAM SWIVEL - Google Patents
CIRCUIT FOR PHASE CALCULATION FOR AN ANTENNA WORKING WITH ELECTRONIC BEAM SWIVELInfo
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Description
Schaltung zur Phasenberechnung für eine mit elektronischer Strahlschwenkung arbeitende AntenneCircuit for phase calculation for one with electronic Beam pivoting working antenna
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Phasenberechnung für eine mit elektronischer Strahlschwenkung arbeitende Antenne, die aus in Zeilen und Spalten angeordneten Strahlerelementen besteht, deren Stromphase jeweils über einen digitalen, q Bit aufweisenden Phasenschieber unter Verwendung eines digitalen Mehrbit-Elenientspeichers eingestellt wird, wobei zur digitalen, mit p-stelligen Dualzahlen vorgenommenen Berechnung der gemeinsamen vertikalen Phasenwerte aller Phasenschieber innerhalb der einzelnen Zeilen ein einziger; taktgesteuertes Vertikal-Rechenwerk und für jede Zeile zur zusätzlichen digitalen, ebenfalls mit p-steliigen Dualzahlen vorgenommenen Berechnung der horizontalen Phasenwerte aller Phasenschieber pro Zeile jeweils ein eigenes, mit dem gleicher. Takt arbeitendes Horizontal-Rechenwerk vorgesehen isx, von denen eines, welches einer Randzeile zugeordnet ist, mit seinem Vertikalphasenwerteingang mit dem Ausgang des Vertikal-Rechor.-werks verbunden ist und die so zusammengeschaltet sind, daß diese vertikalen Phasenwerte bei jedem Takt in den Eingangsspeicher des jeweils zeilenmäßig nächsten Horizontal-Rechenwerks nach Art eines Schieberegisters weitergegeben werden, so daß für jede Zeile zu den allen Phasenschiebern in dieser Zeile gemeinsamen vertikalen Phasenwerten die horizontalen Phasenwerte addiert und in den Elemsntspeiehern abgespeichert werden und die Berechnung des elektrischen Umwags für den Phasenschieber eines Strahlerelements, der sich phasenmäßig um einen bestimmten Betrag von seinen Zeilennachbarn und um einen anderen bestimmten Betrag von seinen Spaltennachbarn unterscheidet, auf eine Addition in Addierwerken des Vertikal-Rechenwerks und der Horizontal-Rechenwerke zurückgeführt ist.The invention relates to a circuit for phase calculation for an antenna working with electronic beam swiveling, consisting of rows and columns There is radiator elements, the current phase of which is set via a digital, q-bit phase shifter using a digital multi-bit element memory is, being made to digital, with p-digit binary numbers Calculation of the common vertical phase values of all phase shifters within the individual lines of a single one; clock-controlled vertical arithmetic unit and for each line for additional digital, also made with p-digit binary numbers, calculation of the horizontal phase values of all Phase shifter per line each with its own, with the same. Clock working horizontal arithmetic unit provided isx, from those of one, which is assigned to an edge line, with its vertical phase value input with the output of the vertical arithmetic unit is connected and which are interconnected in such a way that these vertical phase values enter the input memory of the next horizontal arithmetic unit in each line at each cycle are passed on in the manner of a shift register, so that for each line they are common to all phase shifters in this line vertical phase values the horizontal phase values are added and stored in the element memory and the calculation of the electrical costs for the Phase shifter of a radiator element, which is phase-wise by a certain amount from its row neighbors and by another certain amount from its column neighbors differs, traced back to an addition in adding units of the vertical arithmetic unit and the horizontal arithmetic unit is.
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Phasengesteuerte Antennen bestehen aa s vielen einzelnen Strahlern, die auf einer ebenen Fläche in gewöhnlich orthogonalen Zeilen und Spalten angeordnet sind. Zur elektronischen Schwenkung des Richtdiagrammes wird in die Speiseleitung jedes Strahlerelementes ein Leitungsstück mit elektronisch veränderbarer elektrischer Länge, der sog. 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 nicht 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.Phased array antennas consist aa s many individual radiators which are arranged on a flat surface in generally orthogonal rows and columns. For the electronic swiveling of the directional diagram, a line section with an electronically variable electrical length, the so-called phase shifter, is switched into the feed line of each radiator element. The phase shifters used in phase-controlled antennas, such as switching ferrites or switching diodes, are mostly of the digital type. With them, the detour determining the phase position is not continuous, but can only be set in steps. The detours are calculated in a phase computer and must be carried out so quickly that the operating speed of the entire system is not reduced.
Im Radar-Anwendungsfall arbeitet der Phasenrechner zur Berechnung der Stromphasen jedes Strahlerelementes eng mit dem Zentralrechner des Radargerätes zusammen.In the radar application, the phase calculator works closely with the calculation of the current phases of each radiator element the central computer of the radar device.
Die Berechmmg und die Einstellung der Umv/ege können grundsätzlich stetig unter Anwendung eines Analogrechners und analoger Phasenschieber oder taktgesteuert mit Hilfe eines Digitalrechners und analoger oder digitaler Phasenschieber erfolgen.The calculation and the setting of the Umv / ege can in principle continuously using an analog computer and analog phase shifter or clock-controlled using a Digital computer and analog or 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 der Antenne auf einen zu großen Wert an.The analog phase shifters have a disadvantage the mean deviation of the phase from the nominal value is quite large. This increases the mean sidelobe level of the antenna on too great a value.
Bei einer gemischten (hybriden) Ausführung wird hinter einen Analogrechner ein Analog-Digital-Wandler geschaltet. Eine solche Anlage arbeitet etwa so schnell wie die vorher beschriebene rein analoge Rechenwerkanlage. Der digitale Phasenschieber läßt sich im Gegensatz zum analogen Phasen-In the case of a mixed (hybrid) version, an analog-digital converter is connected behind an analog computer. One such a system works about as fast as the purely analog arithmetic unit described above. The digital phase shifter in contrast to the analog phase
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schieber mit geringeren Streuungen des Phasenwinkels bauen. Dieser Phasenschieber kann entweder mit einem analogen oder digitalen Phasenrechner zusammenarbeiten.Build sliders with lower phase angle scatter. This phase shifter can be either with an analog or digital phase calculator work together.
Bei einem rein digitalen Phasenrechner wird zunächst der elektrische Umweg für jedes Strahlerelement digital berechnet. Es ist bekannt, diese Berechnung am Ort jedes Elements individuell durchzuführen. Bei der individuellen Phasenberechnung müssen folgende Rechenschritte durchgeführt werden:In a purely digital phase calculator, the electrical detour for each radiator element is first calculated digitally. It is known to carry out this calculation individually at the location of each element. With the individual phase calculation 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 Rechenwerk schon vorher bestimmt worden.2. Addition of the line contribution. The line contribution has already been determined in a separate arithmetic unit.
3. Eine Division durch A//LQ„ und Weitergabe des Divisions-3. A division by A // L Q "and passing on the division
Ul Cl JCUl Cl JC
rests (λ= Betriebswellenlänge,AmQV = größte benutzte Wellenlänge). Diese Division und die Weitergabe ist jedoch nur für Phasenschieber mit Leitungscharakteristik erforderlich. rests (λ = operating wavelength, A mQV = largest wavelength used). However, this division and transfer is only required for phase shifters with line characteristics.
Die Multiplikation läßt sch 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 is like in written multiplication in the decimal system to a sequence of additions and shifts. Accordingly, one can use the Build division on subtraction and shift.
Weil bei dieser rein digitalen Lösung jedes Element ein eigenes Rechenwerk mit individuell programmierter Steuerung besitzt, ist jedoch die Realisierung außerordentlich aufwendig. .Because with this purely digital solution, every element is a has its own arithmetic unit with individually programmed control, however, the implementation is extremely complex. .
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 062 896 ist eine Einrichtung zur Einstellung der Phasenschieber einer phasengesteuerten Antenne bekannt, die eine schnelle BerechnungFrom the German Offenlegungsschrift 2 062 896 a device for setting the phase shifter of a phase-controlled Antenna known to have a quick calculation
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einer Vielzahl von Phasenwerten mit geringer Belastung des Zentralrechners und mit geringerem Aufwand als bei der Einrichtung mit einem Rechenwerk pro Strahlerelement ermöglicht. Es wird dabei eine schnelle Umschaltung von einer Strahlrichtung auf die nächste erreicht. Bei dieser bekannten Einrichtung ist zur Berechnung der vertikalen Phasenwerte der den Strahlerelementen zugeordneten Phasenschieber innerhalb der einzelnen Zeilen ein Vertikal-Rechenwerk und für jede Zeile ein eigenes Horizontal-Rechenwerk vorgesehen. Für jede Zeile werden zu den vertikalen Phasenwerten die horizontalen Phasenwerte addiert und in den Elementspeichern abgespeichert, wobei die Berechnung des elektrischen Umwegs /\L für den Phasenschieber eines Strahlerelements, 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 fortgesetzte Addition in Addierwerken des Vertikal-Rechenwerks und der Horizontal-Rechenwerke zugeführt ist. Es lassen sich jeweils gleichartige Schaltungen für die Horizontal-Rechenwerke und für die Elementspeicher jedes Strahlerelements verwenden. Ferner ist ein großer verwendbarer Frequenzbereich gegeben. Dadurch, daß die Phase nicht am Ort jedes Strahlerelements in einem individuellen Rechenwerk aus Spalten- und Zeilenanteil zusammengesetzt wird, läßt sich bereits eine große Zahl von Rechenwerken einsparen.a large number of phase values with low load on the central computer and with less effort than when setting up with one arithmetic unit per radiator element. It a quick switchover from one beam direction to the next is achieved. In this known device to calculate the vertical phase values of the phase shifters assigned to the radiator elements within the individual Lines a vertical arithmetic unit and a separate horizontal arithmetic unit is provided for each line. For each line become the horizontal phase values are added to the vertical phase values and stored in the element memories, with the calculation of the electrical detour / \ L for the phase shifter a radiator element, which is by a certain amount from its right and left neighbors and by a another certain amount differs from its upper and lower neighbors, on a continued addition in addition units the vertical arithmetic unit and the horizontal arithmetic unit is fed. Similar circuits can be used for the horizontal arithmetic units and for the element memories use any radiator element. Furthermore, there is a large frequency range that can be used. As a result of that the phase is not composed of columns and rows at the location of each radiator element in an individual arithmetic unit a large number of arithmetic units can already be saved.
Im folgenden sei kurz eine Betrachtung der Rechenvorschrift für die Strahlrichtung angefügt.The following is a brief consideration of the calculation rule for the beam direction.
Werden zur Steuerung der Antenne Phasenschieber aus Umwegleitungen verwendet, so berechnet sich der Umweg 2iL_Are used to control the antenna phase shifter from detour lines is used, the detour 2iL_ is calculated
Hi f XXHi f XX
eines Strahlers in der m-ten Zeile und η-ten Spalte einesof a radiator in the m-th row and η-th column of one
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Antennenfeldes nach folgendem Algorithmus:Antenna field according to the following algorithm:
= (m . H - k.F) + (n . V - cF) (1)= (m. H - kF) + (n. V - cF) (1)
Dabei sind folgende Zusammenhänge verwendet:The following relationships are used:
cos γ cos γ (3)(3)
cos $ (4)cos $ (4)
Die maximale Betriebswellenlänge der Phasenschieber wird mit yä _„ bezeichnet, die momentane Betriebswellenlänge mit/i . Der Abstand benachbarter horizontaler Strahler ist d^, der vertikaler Nachbarn d . Mit ψ und T^ werden die Koordinaten der Abstrahlrichtung A der Antenne St, die in der Ebene xy liegt, beschrieben. Zur Verdeutlichung dieser Koordinaten dient Fig. Die ganzzahligen Konstanten k bzw. c werden so gewählt, daß die Differenzen m»H - k«F bzw. n*V - c»F stets kleiner als Eins sind.The maximum operating wavelength of the phase shifters is denoted by yä _ ", the current operating wavelength by / i. The distance between adjacent horizontal radiators is d ^, the vertical neighbor is d. The coordinates of the radiation direction A of the antenna St, which lies in the plane xy, are described with ψ and T ^. The integer constants k and c are chosen so that the differences m »H - k« F and n * V - c »F are always less than one.
Wird die Antennenrichtung nach Gleichung (1) berechnet, so geschieht das bei der rein digitalen Lösung mit Dualzahlen. Diese Zahlen sind unter der Voraussetzung nicht zu kurzer Radarpulse stets kleiner als Eins und haben ρ Stellen. Die kleinste Winkeländerung der Antenne in vertikaler bzw. horizontaler Richtung, die sogenannte Positionierungsgenauigkeit, tritt dann auf, wenn H bzw. V der Gleichung (3) bzw. (4) um den Wert 2~p geändert werden. Die Positionierungsgenauigkeit Zy1 - y2/ bzw. /$j - #2/ berechnet sich für die beiden Hauptrichtungen aus den Gleichungen:If the antenna direction is calculated according to equation (1), this is done in the purely digital solution with binary numbers. Provided that the radar pulses are not too short, these numbers are always smaller than one and have ρ digits. The smallest change in angle of the antenna in the vertical or horizontal direction, the so-called positioning accuracy, occurs when H and V of equation (3) or (4) are changed by the value 2 ~ p . The positioning accuracy Zy 1 - y 2 / or / $ j - # 2 / is calculated for the two main directions from the equations:
. (cosy. - cosf ρ) (5). (cozy. - cosf ρ) (5)
x J ' J x J 'J
Ζ (cosΛ - ^ Ζ (cosΛ - ^
max .Max .
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Die Positionierungsgenauigkeit einer phasengesteuerten Antenne, deren Strahlstellung digital mit p-stelligen Dualzahlen berechnet wird, ist also nicht nur eine Funktion der Stellenzahl p, sondern auch vom Strahlerabstand d, bzw. d , der maximalen Betriebswellenlänge Amax und dem Ablenkwinkel ^1 bzw. V^ abhängig. So beträgt z.B. die Positionierungsgenauigkeit bei etwa senkrechter Abstrahlungr- einem Strahlerabstand vonThe positioning accuracy of a phase-controlled antenna, the beam position of which is calculated digitally with p-digit binary numbers, is therefore not only a function of the number of digits p, but also of the radiator spacing d or d, the maximum operating wavelength A max and the deflection angle ^ 1 or V ^ dependent. For example, the positioning accuracy for approximately vertical radiation is r - a radiator spacing of
λ /2 und einer zehnstelligen Dualzahl sieben Bogenminuten. maxλ / 2 and a ten-digit binary number seven arc minutes. Max
Wird dagegen unter einem Winkel von y^ bzw. 'tr * von 20 Grad abgestrahlt, so sinkt sie auf 20 Bogenminuten ab.If, on the other hand, it is emitted at an angle of y ^ or 'tr * of 20 degrees, it drops to 20 minutes of arc.
Werden zur Einstellung der Strahlrichtung digitale Phasendreher mit q Bit verwendet, so können damit q Stellen berücksichtigt werden. Um den Aufwand für die Antenne zu reduzieren, ist die Bitzahl q der Phasendreher im allgemeinen kleiner als die Stellenzahl ρ der Dualzahlen, mit denen die Antennenstellung berechnet wird. Die berechneten Umweglängen können dann nur mit geringerer Genauigkeit eingestellt werden. Dadurch wird zwar die erreichbare Nebenzipfeldämpfung der Antenne begrenzt, die gewünschte Hauptstrahlrichtung und damit die Poätionierungsgenauigkeit bleibt aber im wesentlichen erhalten, weil sich die Phasenfehler wegen der digitalen Phasendreher sehr gut für die Hauptstrahlrichtung kompensieren.If digital phase rotators with q bits are used to set the beam direction, then q positions can be taken into account will. In order to reduce the effort for the antenna, the number of bits q of the phase rotator is generally smaller as the number of digits ρ of the binary numbers with which the antenna position is calculated. The calculated detour lengths can then only be set with less accuracy. As a result, the attainable secondary lobe attenuation of the antenna, but the desired main beam direction and thus the positioning accuracy remains in essential because the phase errors are very good for the main beam direction because of the digital phase rotator compensate.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung zur Phasenberechnung für eine mit elektronischer Strahlschwenkung arbeitende Antenne der vorstehend erläuterten Art eine wesentliche Verringerung des technischen Aufwandes für die vielen parallel arbeitenden Horizontalrechenwerke herbeizuführen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Bitzahl q'der Phasenschieber, die kleiner als die Stellenzahl ρ der Dualzahlen gewählt ist, ein zusätzliches, für alle Zeilen gemeinsames Horizontal-Rechenwerk vorgesehen ist, in welchem die letzten p-q-^1 Stellen aller den Zeilen zugeordneten Horizontal-Rechenwerke berechnet v/er-The invention is now based on the object, in a device for phase calculation for an electronic Beam pivoting working antenna of the type explained above, a significant reduction in the technical effort for the many parallel working horizontal arithmetic units. According to the invention this is achieved by that with a bit number q 'of the phase shifter, which is selected smaller than the number of digits ρ of the binary numbers, an additional, a common horizontal arithmetic unit is provided for all lines, in which the last p-q- ^ 1 digits of all the horizontal arithmetic units assigned to the lines calculates v / er
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den, und daß jedes der den Zeilen zugeordneten Horizontal-Rechenwerke eine Ubertragseinrichtung aufweist, mit welcher der übertrag der letzten p-q-1, im zusätzlichen Horizontal-Rechenwerk berechneten Stellen zu den davor stehenden, im jeweiligen Zeilen-Horizontalrechenwerk berechneten Stellen der jeweiligen Dualzahl zugefügt wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Verwendung von Phasenschiebern mit jweils q Bit, wobei die Zahl q die Stellenzahl ρ der zur digitalen Berechnung verwendeten Dualzahlen unterschreitet, die letzten p-q-1 Stellen der p-stelligen Dualzahlen der Horizontalrechenwerke untereinander gleich sind. Damit müssen diese Stellen auch nur einmal gemeinsam für alle Horizontalrechenwerke berechnet werden.den, and that each of the horizontal arithmetic units assigned to the lines has a transmission device with which the transfer of the last p-q-1, in the additional horizontal arithmetic unit calculated digits to the digits in front of it, calculated in the respective line horizontal arithmetic unit is added to the respective binary number. The invention is based on the knowledge that when using phase shifters each with q bits, where the number q falls below the number of digits ρ of the binary numbers used for the digital calculation, the last p-q-1 digits of the p-digit binary numbers of the horizontal arithmetic units are equal to each other. This means that these points only have to be shared once for all horizontal arithmetic units be calculated.
Es ist ohne Schwierigkeiten möglich, den Horizontalrechenwerken die einzelnen Antenne nspalten zuzuweisen. Das Vertikalrechenwerk erzeugt dann die Phasenwerte für die Antennenzeilen.It is possible without difficulty to assign the individual antenna columns to the horizontal arithmetic units. The vertical arithmetic unit then generates the phase values for the antenna rows.
Für die Arbeitsweise und Arbeitsgeschwindigkeit ist 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, it is advantageous if the vertical arithmetic unit and the horizontal arithmetic units are in operation while the antenna is transmitting or receives, the horizontal arithmetic units connected in the manner of a shift register working simultaneously.
Zweckmäßig werden die neuen, in den Elementspeiehern gespeicherten Phasenwerte erst nach einem Umschaltkommando an den Phasenschiebern wirksam.The new ones are expediently stored in the element stores Phase values only become effective after a switchover command on the phase shifters.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Further details of the invention are given below with reference to explained in more detail by drawings.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild von derjenigen Anordnung, von welcher bei der Erfindung als Stand der Technik ausgegangen ist, undFig. 1 shows a block diagram of that arrangement, which was based on the invention as the prior art is and
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Recheneinrichtung nach der Erfindung.Fig. 2 shows a block diagram of a computing device according to the invention.
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In Fig. 1 ist eine bekannte matrixartige Anordnung in Zeilen und Spalten von Elementspeichern ESP dargestellt, deren Speicherwerte in zugeordnete digitale Phasenschieber P mit q Bit zur Phasensteuerung von Strahlerelementen S eingegeben werden. Die Phasenschieber P und die Strahlerelemente S sind nur für zwei Elementspeicher ESP dargestellt, sind jedoch für alle Elementspeicher ESP vorgesehen. Eingestellt werden die Elementspeicher ESP über ein Vertikal-Rechenwerk VRV, dem die zeitlichen Steuerfunktionen von einer Radartaktsteuerung R zugeführt werden, und über je ein Horizontal-Rechenwerk pro Antennenzeile, dessen taktmäßige Steuerung in gleicher Weise erfolgt. Zunächst werden mit dem Vertikal-Rechenwerk VRW die vertikalen Phasenwerte der einzelnen Zeilen berechnet. Anschließend werden mit einem Horizontal-Rechenwerk HRW für jede Zeile zu den vertikalen Phasenwerten die horizontalen Phasenwerte addiert und in den Elementspeiehern ESP abgespeichert. Hier stehen sie zur Einstellung der digitalen Phasenschieber P zur Verfügung. Die Weiterbeförderung der vertikalen Phasenwerte erfolgt vom Vertikal-Rechenwerk VRW in die verschiedenen, den Zeilen zugeordneten Horizontal-Rechenwerke HRW über ein Schieberegister SR, dessen Stufenzahl der Anzahl von Zeilen bzw. Horizontalrechenwerken HRW entspricht.1 shows a known matrix-like arrangement in rows and columns of element memories ESP, their memory values can be entered into associated digital phase shifter P with q bit for phase control of radiator elements S. The phase shifter P and the radiator elements S are only shown for two element memories ESP, but are provided for all element memories ESP. The Element memory ESP via a vertical arithmetic unit VRV to which the temporal control functions are fed from a radartakt control R, and each via a horizontal arithmetic unit per Antenna line, the timing of which is controlled in the same way. First, the vertical arithmetic unit VRW the vertical phase values of the individual lines are calculated. Then with a horizontal arithmetic unit HRW for each line adds the horizontal phase values to the vertical phase values and stores them in the element memories ESP. Here they are available for setting the digital phase shifters P. The onward carriage of the vertical phase values take place from the vertical arithmetic unit VRW into the various horizontal arithmetic units assigned to the lines HRW via a shift register SR, the number of stages of which corresponds to the number of lines or horizontal arithmetic units HRW is equivalent to.
Der technische Aufwand für eine solche phasengesteuerte Antenne wird stark durch die Bitzahl q der Phasenschieber P bestimmt. Die Bitzahl q wird daher stets so klein gehalten, daß die dadurch verursachten Diagrammverzerrungen gerade noch toleriert werden können. Das für die Berechnung der Phasenschiebereinstellung angewandte Verfahren darf dann aber keine zusätzliche Ungenauigkeit ergeben.The technical effort for such a phase-controlled antenna is greatly increased by the number of bits q of the phase shifter P. certainly. The number of bits q is therefore always kept so small that the resulting diagram distortions are just barely there can be tolerated. However, the method used to calculate the phase shifter setting may then do not result in any additional inaccuracy.
Die vertikalen Phasenwerte werden nach folgender Gleichung berechnet:The vertical phase values are calculated using the following equation:
Vn = nV - K F (6)V n = nV - KF (6)
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Dabei istIt is
V = * cos T/* vertikales Phaseninkrement ^ maxV = * cos T / * vertical phase increment ^ max
d = elektrischer Weg zwischen zwei vertikal benachbarten Antennenelementend = electrical path between two vertically adjacent ones Antenna elements
= maximale verwendete Wellenlänge= maximum wavelength used
n=1, ,N Zahl der Additionen = Zeilennummern = 1,, N number of additions = line number
N = Zahl der ZeilenN = number of lines
K = 1, 2, 3, .... FaktorK = 1, 2, 3, .... factor
λ = Betriebswellenlänge λ = operating wavelength
V = vertikaler Phasenwert nach der η-ten AdditionV = vertical phase value after the η-th addition
F = ~^~ Verhältnis der Phasendifferenz fmin bei der untersten Betriebsfrequenz fmin zur Phasendifferenz y> bei der momentanen Betriebsfrequenz f. Beim Phasenschieber mit frequenzunabhängiger elektrischer Länge ist F = f_,.„/f oder F = Λ/Λ β . wennF = ~ ^ ~ ratio of the phase difference f min at the lowest operating frequency f m i n to the phase difference y> at the current operating frequency f. In the phase shift with frequency-independent electrical length of which is F = f _ ,. "/ f or F = Λ / Λ β . if
. IuXXl IQaX. IuXXl IQaX
A = c/f und AmQV = c/f. ist (c = Lichtgeschwindigkeit). A = c / f and A mQV = c / f. is (c = speed of light).
Wie obige Gleichung zeigt, werden die vertikalen Phasenwerte V durch n-malige Addition des vertikalen PhaseninkrementsAs the above equation shows, the vertical phase values V are obtained by adding the vertical phase increment n times
V = IdM ) cos77 berechnet. Der Ausdruck K-F wird so oft subtrahiert, bis V_ kleiner als F = λ/λην wird. Die Größen VV = IdM) cos77 calculated. The term KF is subtracted until V_ becomes smaller than F = λ / λ ην . The sizes V
XjL IQSIjCXjL IQSIjC
und F werden von der Radartaktsteuerung R zur Verfügung gestellt. and F are made available by the radartact controller R.
Die einzelnen V -Werte werden im Schieberegister SR in den einzelnen Stufen gespeichert, wobei für jede Strahlerzeile ein Wert vo rhanden ^g^-8 8 A / 0 6 1 0The individual V values are stored in the shift register SR in the individual stages, with each emitter line a value available ^ g ^ -8 8 A / 0 6 1 0
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Im Vertikal-Rechenwert VRW wird außerdem aus dem horizontalen Phaseninkrement H = fdL/yL,^ cosy» und der normiertenIn the vertical calculated value VRW, the horizontal phase increment H = fdL / yL, ^ cozy »and the normalized
V Xl IQaX/ J V Xl IQaX / J
Betriebsfrequenz F die Differenz K-F berechnet.Operating frequency F calculates the difference K-F.
Die Werte V , H und gegebenenfalls H-F werden an das Horizontal-Rechenwerk HRW weitergegeben. Es ist eine Taktsteuerung vorgesehen, in der verschiedene Impulse erzeugt werden, die dafür sorgen, daß die Vorgänge im Vertikal-Rechenwerk VRW richtig ablaufen.The values V, H and possibly H-F are sent to the horizontal arithmetic unit HRW passed on. A clock control is provided in which various pulses are generated that ensure that the processes in the vertical arithmetic unit VRW run correctly.
Für jede Zeile ist ein eigenes Horizontal-Rechenwerk HRW vorgesehen, das zu V , dem jeweiligen vertikalen Phasenwert, m-mal das horizontale Phaseninkrement H = [&yJÄ λ cos Ψ addiert entsprechend folgender Gleichung:A separate horizontal arithmetic unit HRW is provided for each line, which adds m times the horizontal phase increment H = [& yJÄ λ cos Ψ to V, the respective vertical phase value, according to the following equation:
4Lm'n/*max = Hm = Vn + mH - c F (7)4 Lm ' n / * max = H m = V n + mH - c F (7)
Dabei istIt is
ΔLm,η = elektrischer Umweg eines Strahlers in der in-ten Zeile und η-ten Spalte eines AntennenfeldesΔLm, η = electrical detour of a radiator in the in-th Row and η-th column of an antenna field
V = vertikaler Phasenwert der η-ten ZeileV = vertical phase value of the η-th line
H =fdh/^max) cos Υ norizon'fcales PhaseninkrementH = f d h / ^ max) cos Υ norizon ' fca l es phase increment
d, = elektrischer Weg zwischen zwei horizontal benachbarten .Antennenelementend, = electrical path between two horizontally adjacent antenna elements
m = 1, 2, ... M Zahl der Additionen = Spaltennummer
M = Zahl der Spalten
c = 1, 2, 3f .·. Faktorm = 1, 2, ... M number of additions = column number M = number of columns
c = 1, 2, 3f. ·. factor
VPA 9/655/0001 409884/0610 -11-VPA 9/655/0001 409884/0610 -11-
F = Λ/Λ normierte WellenlängeF = Λ / Λ normalized wavelength
H = Phasenwert nach der m-ten Addition mH = phase value after the m-th addition m
Die Berechnung der Phasenwerte innerhalb einer Zeile geht praktisch in gleicher Weise wie beim Vertikal-Rechenv;erk VRV vor sich.The calculation of the phase values within a line is practically the same as with the vertical arithmetic logic unit VRV in front of you.
Von den im Horizontal-Rechenwerk HRW berechneten Phasenwerten werden die höchstwertigen Bit an die Elementspeicher ESP weitergegeben. Hier stehen sie zur Einstellung der Phasenschieber P bereit.From the phase values calculated in the HRW horizontal arithmetic unit the most significant bits are passed on to the element memory ESP. Here they are for setting the phase shifters P ready.
Die Phaseneinstellung wird durch den digital einstellbaren Phasenschieber P realisiert, der in Abschnitte unterteilt ist, die Hr sich zwischen zwei verschiedenen elektrischen Längen oder Phasen umschaltbar sind. Die Längenunterschiede der Abschnitte verhalten sich wie λ/2 : λ/k : XjQ : Λ/16. Bei 16 Phasenv/erten hat der Phasenschieber P z.B. vier Abschnitte (^-Bit-Phasenschieber).The phase setting is implemented by the digitally adjustable phase shifter P, which is divided into sections that can be switched between two different electrical lengths or phases. The length differences of the sections are like λ / 2: λ / k : XjQ : Λ / 16. With 16 phase values, the phase shifter P has, for example, four sections (^ -bit phase shifter).
Die Einstellung des Phasenschiebers P kann in diesem Beispiel durch eine vierstellige Binärzahl beschrieben werden. Die Phaseneinstellung eines Strahlerelements in der n-ten Zeile und m-ten Spalte ergibt sich gemäß der GleichungThe setting of the phase shifter P can be described in this example by a four-digit binary number. The phase setting of a radiator element in the nth row and mth column results from the equation
ALm,n//lmax = Vn + m · H - c · F (8)ALm, n // l max = V n + m H - c F (8)
aus der Addition der zwei Dualzahlen V und m · H - c · F. Bei dieser Addition müssen q + 1 Stellen der Dualzahlen berücksichtigt werden, wenn das Ergebnis auf q Stellen, entsprechend den q Bit des Phasenschiebers P, genau sein soll.from the addition of the two binary numbers V and m · H - c · F. Bei this addition, q + 1 digits of the binary numbers must be taken into account if the result is q digits, accordingly the q bit of the phase shifter P, should be exact.
Anhand eines Beispiels sollen die letzten Stellen aller Horizontralrechenwerke HRV/ für eine bestimmte Strahlrichtung unter-Using an example, the last digits of all horizontal arithmetic units HRV / for a certain beam direction different
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sucht werden. Dabei wird gezeigt, daß unter der von den Horizontalrechenwerken erfüllten Voraussetzung, daß die Stellenzahl ρ der Dualzahlen größer als die Phasenschieberbitzahl q + ist, die letzten Stellen der Dualzahlen der vielen parallel arbeitenden Horizontalrechenwerke HRW gleich sind. Die Anzahl der gemeinsamen Stellen ist ρ - q - 1. Dabei gibt ρ die Stellenanzahl der Dualzahlen an, mit denen die Antennenrichtung berechnet wird. Die Stellenzahl ρ wird entsprechend der gewünschten Positionierungsgenauigkeit gewählt.be sought. It is shown that under the horizontal arithmetic units fulfilled the requirement that the number of digits ρ of the binary numbers is greater than the number of phase shifter bits q + is, the last digits of the binary numbers of the many parallel working HRW horizontal arithmetic units are the same. The number of common places is ρ - q - 1. Where ρ is the number of places the binary numbers with which the antenna direction is calculated. The number of digits ρ is corresponding to the desired Positioning accuracy selected.
Unter der Annahme, daß die Poätionierungsgenauigkeit der Antenne eine Bitzahl ρ der Rechenwerke von 10 erfordert, entspricht das einer Positionierungsgenauigkeit von etwa sieben Bogenminuten bei senkrechter Abstrahlung und einem Λ/2-Abstand der Strahler. Außerdem erlauben die Diagrammverzerrungen die "wahl eines A-Bit-Phasendrehers. Es wird z.B. eine Richtung eingestellt, der ein V-Wert von .,000OLLOOOO und ein H-Vert von .,00OLOOOOOL entspricht. Veiter wird eine Array-Antenne mit 16 Zeilen und Spalten vorausgesetzt. Die Anzahl der schrägen Striche durch die Leitungen in Fig. 1 gibt jeweils die dort zu übertragende Anzahl von Bit an.Assuming that the positioning accuracy of the antenna a bit number ρ of the arithmetic unit requires 10, this corresponds to a positioning accuracy of about seven arc minutes with vertical radiation and a Λ / 2 distance of the radiators. In addition, the chart distortions allow the "choice." an A-bit phase shifter. E.g. a direction is set, which corresponds to a V value of., 000OLLOOOO and an H-Vert of., 00OLOOOOOL. Veiter is using an array antenna 16 rows and columns required. The number of oblique lines through the lines in FIG. 1 indicates that there number of bits to be transmitted.
Das Vertikalrechenwerk erzeugt nacheinander folgende 16 Vn~Yferte;The vertical arithmetic unit generates the following 16 V n ~ Yferts one after the other;
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Die einzelnen Horizontalrechenwerke übernehmen die ersten fünf Stellen (q + 1) der Vn-Werte und addieren gemäß der Gleichung (8) die Hn-Werte, die zehnstellig berechnet werden.The individual horizontal arithmetic units take over the first five digits (q + 1) of the V n values and add the H n values according to equation (8), which are calculated as ten digits.
Es werdeinun z.B. die AL „//L· -Werte des zweiten und 16. HoFor example, the AL "// L · values of the second and 16th Ho
m f χι nisxm f χι nisx
rizontalrechenwerkes betrachtet. Diese erzeugen nacheinander folgende /^rizontal arithmetic unit considered. These successively generate the following / ^
.,0OLOLOOOOL ÄL^A */Amov .,LLOLOOOOOL., 0OLOLOOOOL ÄL ^ A * / A mov ., LLOLOOOOOL
.,OOLLLOOOLO .,LLLOOOOOLO., OOLLLOOOLO., LLLOOOOOLO
.,OLOOLOOOLL .,LLLLOOOOLL., OLOOLOOOLL., LLLLOOOOLL
.,OLOLLOOLOO .,0000000L00., OLOLLOOLOO., 0000000L00
.,OLLOLOOLOL .,00OLOOOLOL., OLLOLOOLOL., 00OLOOOLOL
.,OLLLLOOLLO .,OOLOOOOLLO., OLLLLOOLLO., OOLOOOOLLO
.,LOOOLOOLLL .,OOLLOOOLLL., LOOOLOOLLL., OOLLOOOLLL
.,LOOLLOLOOO .,OLOOOOLOOO., LOOLLOLOOO., OLOOOOLOOO
.,LOLOLOLOOL .,OLOLOOLOOL., LOLOLOLOOL., OLOLOOLOOL
.,LOLLLOLOLO .,OLLOOOLOLO., LOLLLOLOLO., OLLOOOLOLO
•,LLOOLOLOLL .,OLLLOOLOLL•, LLOOLOLOLL., OLLLOOLOLL
.,LLOLLOLLOO .,LOOOOOLLOO., LLOLLOLLOO., LOOOOOLLOO
.,LLLOLOLLOL .,LOOLOOLLOL., LLLOLOLLOL., LOOLOOLLOL
.,LLLLLOLLLO .,LOLOOOLLLO., LLLLLOLLLO., LOLOOOLLLO
.,OOOOLOLLLL .,LOLLOOLLLL . ,00OLLLOOOO AL1616^max * »LL000L000°., OOOOLOLLLL., LOLLOOLLLL. , 00OLLLOOOO AL 1616 ^ max * » LL000L000 °
Aus der obigen Tabelle kann man ersehen, daß die letzten fünf Stellen der vom 2. und 16. Horizontalrechenwerk HRW gleichzeitig berechneten Dualzahlen gleich sind. Diese Erkenntnis kann verallgemeinert werden: die letzten ρ - (q+1) Stellen aller Dualzahlen, die gleichzeitig von den Horizontalrechenwerken HRW berechnet werden, sind gleich. Damit können diese letzten Stellen in einem einzigen gemeinsamen Rechenwerk berechnet werden. Der Übertrag dieses gemeinsamen Rechenwerkes muß an alle Horizontalrechenwerke, welche dann lediglich die ersten Stellen berechnen, weitergegeben v/er-From the table above you can see that the last five digits of the 2nd and 16th horizontal arithmetic units HRW simultaneously calculated binary numbers are the same. This knowledge can be generalized: the last ρ - (q + 1) Digits of all binary numbers that are calculated simultaneously by the horizontal arithmetic units HRW are the same. In order to these last digits can be calculated in a single common arithmetic unit. The carryover of this common Arithmetic unit must be passed on to all horizontal arithmetic units, which then only calculate the first digits.
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den. In Fig. 2 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Phasenrechners dargestellt, bei dem diese Erkenntnis angewendet ist.the. FIG. 2 shows the block diagram of a phase computer according to the invention in which this knowledge is applied is.
Mit Ausnahme der Horizontalrechenwerke HRW und HRW 1 bzw. deren Anschaltung stimmt die Anordnung nach Fig. 2 mit derjenigen nach Fig. 1 überein. Das Vertikalrechenwerk VRW ist ebenfalls für 10 Bit ausgelegt und auch das Schieberegister SR stimmt mit demjenigen nach Fig. 1 überein, d.h. es ist ein 5-Bit-Vorwärts-3chieberegister mit einer der Zeilenzahl entsprechenden Stufenzahl. An die Stufen des Schieberegisters SR ist jedoch jeweils ein Horizontalrechenwerk HRW angeschlossen, welches nur für die ersten 5 Bit ausgelegt ist. Die letzten 5 Bit dieser Horizontalrechenwerke HRW werden gemeinsam für alle Rechner HRW in einem gemeinsamen Horizontal-Rechenwerk HRW 1 berechnet, das von den Größen F und H gesteuert wird. Zwischen dem Ausgang des gemeinsamen Horizontalrechenwerks HRW1 und dem Eingang für die ersten 5 Bit der Horizontalrechenwerke HRVi ist zu diesem Zweck jeweils eine eigene Übertragsleitung Ü vorgesehen. Die Anzahl der schrägen Striche durch die Leitungen in Fig. 2 gibt jeweils die dort zu übertragende Anzahl von Bit an.With the exception of the horizontal arithmetic units HRW and HRW 1 or their connection, the arrangement according to FIG. 2 agrees with that one according to FIG. 1. The vertical arithmetic unit VRW is also designed for 10 bits, as is the shift register SR corresponds to that of Fig. 1, i.e. it is a 5-bit forward 3-shift register with one corresponding to the number of lines Number of stages. However, a horizontal arithmetic unit HRW is connected to each of the stages of the shift register SR, which is only designed for the first 5 bits. The last 5 bits of these horizontal arithmetic units HRW are common for all computers HRW are calculated in a common horizontal arithmetic unit HRW 1, which is controlled by the variables F and H. will. Between the output of the common horizontal arithmetic unit HRW1 and the input for the first 5 bits of the horizontal arithmetic units HRVi has its own transmission line Ü for this purpose. The number of slanted dashes through the lines in FIG. 2 each indicates the number of bits to be transmitted there.
Der technische Aufwand für die Horizontalrechenwerke wird somit auf etwas über die Hälfte gegenüber der bekannten Anordnung reduziert.The technical effort for the horizontal arithmetic units is thus a little over half compared to the known arrangement reduced.
1 Patentanspruch
3 Figuren1 claim
3 figures
409884/0610
VPA 9/655/0001 - 15 -409884/0610
VPA 9/655/0001 - 15 -
Claims (1)
ORIGINAL INSPECTED4 09884/0610
ORIGINAL INSPECTED
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732332783 DE2332783C3 (en) | 1973-06-28 | Circuit for phase calculation for an antenna that works with electronic beam swiveling | |
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GB2801774A GB1477033A (en) | 1973-06-28 | 1974-06-25 | Phased array antenna systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732332783 DE2332783C3 (en) | 1973-06-28 | Circuit for phase calculation for an antenna that works with electronic beam swiveling |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE2332783A1 true DE2332783A1 (en) | 1975-01-23 |
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Family
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FR2235429A1 (en) | 1975-01-24 |
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DE2332783B2 (en) | 1977-02-03 |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |