DE2630291A1 - Hochfrequenzpeilanlage - Google Patents

Description

Patentanwalt
Dipl.-Phys.Leo Thul
7 Stuttgart 30
Kurze Str.8

P.Barton-12

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

HOCHFREQUENZPEILANLAGE

Die Erfindung betrifft eine Hochfreouenzr>eilanlage wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Eine derartige Hochfreauenzpeilanlage ist aus der DT-OS 24 54 786 bekannt.

Bei der neuen Hochfrequenzpeilanlage ist eine besonders vorteilhafte Signalauswertung möglich.

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

Fig.1 ein erstes Ausführunasbeispiel für eine Hochfrequenzpeilanlage ;

Fig.2, 3 und 4, Signale, wie sie an verschiedenen Stellen der HF-Peilanlage vorhanden sind;

Sp/Pcho
1 .7.1^7(1

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— 9 —

Fig. 5 ein Schaltbild eines Teils der HF-Peilanlacre;

Fig.6 den Zusammenhang zwischen mehreren auftretenden Signalen;

Fig.7 die wesentlichen Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels;

Fig.8 Signale, die bei dem zweiten Ausführunosbeispiel auftreten.

Wie in Fig.1 dargestellt, werden von der HF-Peilanlage aufeinanderfolgende HF-In>pulse mit der Freauenz f (beispielsweise f = 1 GHz), der Länge T (beispielsweise T= 1 ys) und einem Abstand von beispielsweise 1 ms empfangen. Diese Impulse v/erden beispielsweise von einem Flugzeug reflektiert (Radar) oder abgestrahlt. Die HF-Peilanlage enthält eine Antennenzeile mit η äquidistant angeordneten Antennenelementen A1 bis An (beispielsweise 25). Der Abstand zwischen den Zentren zweier Antennenelementen kann zwei bis vier Wellenlängen λ betraaen. Die Antennenelemente können für den Empfang Richtcharakteristiken aufweisen. In Fig.1 sind die Zentren der Antennenelemente dargestellt.

Es wird angenommen, daß die HF-Peilanlage zur Bestimmung des Elevationswinkels verwendet werden soll. Daher ist die Antennenzeile vertikal angeordnet. Die Einfallsrichtuna wird in Bezug auf die Senkrechte auf der Achse der Antennenzeile gemessen. Die aufeinanderfolgenden HF-Impulse treffen unter einem Winkel θ ein und jeder empfanaene Impuls löst eine Serie gleichzeitiger Impulssignale mit einer Freauenz f und einer Länge T aus. Diese Signale werden jeweils

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zu einem Mischer M1, ... , Mn aeleitet und dort auf eine Frequenz f (beisnielsveise 5 MHz) heruntergemischt. Für alle Mischer ist ein gemeinsamer Mischoszillator LO1 vorgesehen, der mit der Frequenz f -f betrieben wird.

C O

Die aufeinanderfolgenden Signale einer Serie sind uir den Winkel Ύ phasenverschoben, ψ ist durch 2ird sin© bestimmt, wobei d der Abstand zwischen benachbarten Antennenelementen der Antennenzeile in Wellenlängen ist.

Es kann noch eine zusätzliche Mischerstufe (und Verstärkerstufe) vorgesehen sein, um die bekannten Vorteile eines Äweistufigen ZF-Systems zu erreichen. Dadurch wird jedoch das Prinzip der nachfolgenden Signalverarbeitung nicht beeinflußt. Bei der Signalverarbeitung wird angenommen, daß η Signale mit der Frequenz f , der Länge T und einer gegenseitigen Phasenverschiebung ~ψ, die durch den Einfallswinkel θ der Impulse bestimmt ist, gleichzeitig vorhanden sind. Jedes der Signale mit der Frequenz f wird auf jeweils zwei Mischerschaltungen MW1A und MW1B gegeben. Die jeweils erste Mischerschaltung der η Paare Mischerschaltungen ist mit einem gemeinsamen Mischeroszillator LO2, der mit der Frequenz f betrieben wird (d.h. einer Frequenz, die gleich der Signalfrequenz ist), verbunden. Die zweite Mischerschaltung eines jeden Paares ist mit demselben M;
schieber verbunden.

ist mit demselben Mischoszillator über einen 9O°-Phasen-

In Fig.2 sind die Ausgangssignale (J und Q), wie sie an jedem einem Antennenelement zugeordneten Mischerschaltungspaar vorhanden sind, dargestellt. Jedes Ausgangssignal besteht aus einem Signal mit der "Frequenz Null". Die

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Amplitude dieses Signals ist proportional zu der Amplitude des ZF-Signals mit der "Frequenz Null" und zum Cosinus bzw. Sinus der Phasendifferenz zwischen dem Signal und dem -lischoszillator LO2.

Wenn das Eingangssignal von dem j-ten Antennenelement gleich cos (üi_ot + j^) ist, mit f = 2irdsin9 (in Radianten), dann haben die Ausgangssignale des j-ten J- bzw. Q-Kanal die Form ij = cos j"^ bzw. qj sin j ψ.

Die Ausgänge eines jeden Mischerpaares sind über geeignete Schalter, z.B. ES1A und ES1B zum Wirksamschalten der Integrationsnetzwerke wie z.B. JN1A und JN1B, die jeweils einen Rückstellschalter PS1A enthalten, mit den Integrationsnetzwerken verbunden.

Die Integratoren dienen dazu, optimale Bedingungen für das Signal/Rauschverhältnis zu erreichen. Sie werden vor dem Empfang des gepulsten Signals durch die Rückstellschalter zurückgestellt. Diese Schalter werden durch eine gemeinsame erste Zeitschaltung TC1 gesteuert. Die Integratoren werden nur für die Dauer des Impulssignals durch die Schalter ES, die von einer geeigneten zweiten Zeitschaltung TC2 gesteuert werden, wirksam geschaltet. Dadurch wird die Wirkung eines "Entfernungstores" erzielt. Die Integratoren versehen Filtereigenschaften äauivalent einem Filter, das an den Siqnalimpuls angepaßt ist.

Die Ausgangssignale des j-ten Paares von Integratoren sind begeben durch

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T τ

Jj = Jij dt und Qj = / qj dt ο ο

Jj = T cos j ~ψ
Qj = T sin j ψ

Das Blockschaltbild der Fig.1 enthält noch einen analoaen Demultiplexer AD mit seiner Zeitschaltung TC3 und einen Sektorfilter SF. Diese sind hier nur dargestellt, um die nachfolgende Signalverarbeitung zu umreißen. Anhand der Fig.4 erfolgt eine genauere Beschreibung.

Als nächstes wird die nachfolaende Verarbeitung beschrieben. Hierbei werden die Ausgänge eines jeden Integratorpaares in der Folge 1 bis η mit derselben Abtastrate abgetastet. Die Ausgangssignale eines jeden Integratorpaares haben die Folge (für das j-te Paar) Jj Qj - Jj - Qj.

Unter der Annahme, daß die Dauer des Abtastens innerhalb der Folge gleich τ (z.B. 1 \is) ist, ist die erhaltene Wellenform identisch mit der Wellenform, die man erhält, wenn man eine sinusförmige Welle mit der Frequenz τ τ und der Phase j "ψ abtastet und die Abtastwerte speichert. Dies ist in den Fig.3 und 4 dargestellt.

Somit ist die Form einer vollständigen Folge j1Q1 - J1 - Q1, J2Q2 - J2 - Q2, ... , JnQn - Jn - Qn identisch mit den Abtastwerten der Einhüllenden einer Doppler-Schwebung von η Antennenelementen mit jeweils einem Schwebungszyklus pro Antennenelementperiode und einem Phasensprung von ~ψ Radianten zwischen benachbarten Antennenelementen.

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Die Spitze in der spektralen Verteilung liegt bei ¹ + ^ - 1 + dsίηθ „

Wird ein Sektor SF mit einem Durchlaßbereich von [Ί - dsinB maxi bis [ί + dsinQ maxi

für Azimutmessungen (horizontale Antennenzeile) und

[Ί - dsine maxi bis Γ i1
L 4t -I L 4τ ~

für Elevationsmessungen verwendet, dann hat die Wellenform des Signals eine Form, die von der eines bekannten Dopplersignals nicht zu unterscheiden ist. Daher kann dieses Signal auf bekannte Weise weiterverarbeitet werden; z.B. unter Verwendung eines Freauenznachlauffilters, um den gewünschten Winkel θ in Übereinstimmung mit der Doppler-Signalfrequenz zu bestimmen.

Wie in der Fig.5 dargestellt, wird die Funktion eines Gegentaktmischers der Mischerschaltungen besonders vorteilhaft durch Analogschalter wie z.B. MOS-Transistoren MOS1A, MOS1B usw. erfüllt, die durch Rechtecksignale mit der Frequenz f und die "in Phase"und in "Phasenquadratur" sind (abgeleitet aus dem Mischoszillator LO2 (jetzt mit der Frequenz 4f ) über ein Schieberegister SR, dessen aufeinanderfolgende Ausganassignale für ein Paar UND-Schaltungen G1, G2 jeweils ein Eingangssignal sind und über diese TTND-Schaltunoen, die ein gemeinsames weiteres Eingangssignal das die Mischerschalter wirksam schaltet ^gesteuert v

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Die Ableitung der Folge Jj Qj-Jj- Qj erfolqt durch eine geeignete zeitliche Steuerung des Demultiplexers, der in Fig.5 als Kommutator COM dargestellt ist. Die Pignalumkehrung, die für den Demultinlexvorgang notwendig ist, erfolgt durch einen Inversionsverstärker IA am Ausgang des Multiplexers und durch einen Kippschalter TS.

Die zeitliche Steuerung ist in Fig.6 beschrieben. Die Abtastfolge kann in den Impulszwischenräumen (mit der Dauer von 1ms) wiederholt werden. Dadurch werden mehrere Abtastsignale erzeugt.

Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten nur durch unterschiedliches Abtasten der Integratoren_/ sodaß in Fig.7 nur dieser Teil des Schaltbildes dargestellt ist.

Es wird daran erinnert, daß die Folge Jj Qj-Jj- Qj vier Abtastwerte eines einzigen Zyklus eines sinus darstellt.

Wenn die Abtastzeit innerhalb der Folge jeweils τ beträgt, dann erzeugt ein wiederholtes zyklisches Schalten eine sinusförmige Welle mit der Frequenz,— .

Die Wahl der zeitlichen Folge dieses zyklischen Schaltens ist frei und vernichtet die Hrundinformation nicht. Ir Prinzip können beim zweiten Ausführunasbeispiel die Aufeinanderfolgen, die (fen jeweiligen Paaren der Intecrrationsnetzwerke zugeordnet sind, parallel und nit unterschiedlichen Folaernten aeschalt^t v/erden:

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Schaltfolge der ersten Folge = F

Schaltfolge der zweiten Folge = F - f

Schaltfolqe der dritten Folge = F - 2f'

Schaltfolie der η-ten Folge = F - (n-i)f¹.

Dies ist, wie in Fig.7 dargestellt, durch die Verwendung einzelner Abtastschalter S1, S2 usw. möglich, die jeweils zwei notwendige invertierende Verstärker wie z.B. JA 17*, JA1B enthalten. Die aufeinanderfolaenden Schalter 1 bis η werden jeweils mit den Frequenzen F, F-f, F-2f usw. gesteuert. Zur Steuerung werden geeignete Oszillatoren OSC1, OSC2 (und logische Teiler) verwendet.

Wenn die Steueroszillatoren zur Zeit ti miteinander in Phase sind, dann entsprechen die einzelnen Folgen sinusförmigen Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen und Phasen:

SIN1 = A cos 2ir Ft

SIN2 = A cos 2TT(F-f')t +>

SIN3 = A cos 2TT(F-2f')t + 2>

SINn = A cos 2ir(F-(n-1)f') t + (n-1)>

In Fig.8 sind die parallelen Abtastwerte und ihre Addition dargestellt. Die Form dnr Einhüllenden des resultierenden Sicrnals entspricht dem Strahlungsdiagramm der Antennenzeile und hat die Form (dies wird in dieser Beschreibung impliziert) sin x/x. Die Zeitdifferenz At zwischen der Impulsspitze bei t2 und der Zeit ti, zu der alle Steueroszillatoren in Phase sind (zu Beginn der Mitastfolge) ist ein Maß für den sinus des F'ipfallswinkels des Impulses, nie *uswertuna erfolgt durch eine aooianete Schaltung CI^. Die Oszillatoren zur dor Abtastfol^^p können vorteilhaft mit niedrinen

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ORIGINAL INSPECTED

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Frequenzen betrieben werden. Digitale Verfahren sind iröglich.

Die oben beschriebene Abtasttechnik ist auch für den Fall von mehreren Zielen geeicnet.

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Claims (10)

1. P.Barton-12

   Patentansprüche

   Hochfrequenzpeilanlage zur Bestimmuna des Einfallswinkels von von einem Fahrzeug reflektierten oder abgestrahlten Impulsen, bei der diese Impulse von mehreren Antennenelementen aufgenommen werden, bei der η Empfänger, wobei jedem Empfänger mindestens ein Antennenelement zuoeordnet ist, vorgesehen sind und bei der durch jeden einfallenden Impuls eine Serie von η gleichzeitig vorhandenen Signalen erzeugt wird, die jeweils die gleiche Frequenz haben und wobei der Phasenunterschied ψ zwischen aufeinanderfolgenden Signalen dieser Serie eine Funktion des Einfallswinkels des Impulses ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese η Signale in ersten und zweiten Mischern (MWnA, MWnB) mit ersten und zweiten Signalen aus einem Mischoszillator (LO2)., wobei die Frequenz der η Signale gleich der Frequenz des Mischoszillators ist, gemischt werden, daß die Phase der ersten Signale gegenüber der Phase der zweiten Signale um 90 verschoben ist, sodaß die Ausgangssignale (Jj) der ersten Mischer (MWnA) proportional zu Jj=k cosj'tt' und die Ausganassignale der zweiten Mischer (MWnB) proportional zu Qj=k.sinj"^> sind, wobei j der Position der η Mischer entspricht, daß diese Signalpaare (Jj,Qj) durch eine Abtasteinrichtung (Fig.5, Fig.7) jeweils so abgetastet werden, daß eine Sicmalfolge Jj, Qj, minus Jj, irinus Qj entsteht und äaP> in einpr Au sverteeinrich tuner aus diesen SignnlColaen die Phasencüfferenz ]f und sor.it der Einfallswinkel ernittelt wird.

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2. 2. Hochfrequenzpeilanlane nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen Kommutator (COM) zum aufeinanderfolgenden Abtasten der Signalnaare (Jj, Pj; j=1, ..., n) enthält, sodaß aufeinanderfolgende einzelne Perioden eines sinusförmiaen Signals entstehen, wobei der Phasenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Perioden gleich ψ ist.
3. 3. Hochfrequenzpeilanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtung Mittel zur Bestimmung der tatsächlichen Frequenz des sinusförmigen Signals vorgesehen sind.
4. 4. Hochfrequenzpeilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung η Kommutatoren (S1, ..., Sn) zum gleichzeitigen Abtasten der Sianalpaare (JjF Oj; J=1f ···/ n) enthält und daß die Abtastfremienzen um jeweils gleiche Beträge verändert werden, sodaß gleichzeitig η sinusförmige Signale mit Phasenverschiebungen von ^p entstehen.
5. 5. Hochfrerruenzpeilanlacre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtunn erste Mittel, mit deren Hilfe ermittelt wird, wann der ursprüngliche "In-Phase" Zustand auftritt, und zweite Mittel voraesehen sind, mit deren Hilfe ermittelt wird, wann die sinusförmioen Signale in Phase sind.
6. 6. Hochfrequenzpeilcinlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die die Mischer während des gleichzeitigen Vorhandenseinsder η Signale wirksam geschaltet werden.

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7. 7. Hochfrequenzpeilanlage nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, in der die Signalpaare verarbeitet werden, nach dem Abtasten eines Signals und vor dem Empfang des nächsten Signals zurückgestellt wird.
8. 8. Hochfrequenzpeilanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7_f dadurch gekennzeichnet , daß in der Einrichtung, in der die Signalpaare verarbeitet werden, Integrationsschaltungen vorgesehen sind.
9. 9. Hochfrequenzpeilanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Mischerschaltungspaar ein Paar Analogschalter vorgesehen sind, die durch um verschobene Signale aus einem Rechteckgenerator gesteuert werden.
10. 10. Hochfrequenzpeilanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente Richtcharakteristik haben.

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