DE2732627C3

DE2732627C3 - Kreisförmige phasengesteuerte Strahlergruppe

Info

Publication number: DE2732627C3
Application number: DE19772732627
Authority: DE
Inventors: Jean Dr.-Ing. 8000 Muenchen Gobert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-07-19
Filing date: 1977-07-19
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2732627A1; DE2732627B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aus N in Kreisform auf einer Ebene, insbesondere Azimutebene, angeordneten, jeweils in Normalenrichtung nach außen strahlenden Einzelstrahlern bestehende, phasengesteuerte Strahlergruppe, die über eine an die Einzelstrahler angeschlossene N χ /V-Butler-Matrix sowie N dieser Matri;< vorgeschaltete Phasenschieber und ein den Phasenschiebern vorgeschaltetes Eingabenetzwerk an geregt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine aus N in Kreislorm auf einer Ebene, insbesondere der Azimutebene angeordneten, jeweils in Nonnalenrichtung nach außen strahlenden Einzelstrahlern bestehende, phasengesteuerte Strahlergruppe, die über zwei an die Einzelstrahler angeschlossene N/2 χ /V/2-Butler-Matrizen sowie N diesen beiden Matrizen vorgeschaltete Phasenschieber und ein den Phasenschiebern vorgeschaltetes Eingabenetzwerk angeregt wird.

Aus dem Aufsatz von Sheleg, »A matrix-fed circular array for continuous scanning« Proc. IEEE, vol. 56, S. 2016—2027, Nov. 1968, sind kreisförmige phasengesteuerte Antennenanordnungen mit N Einzelstrahlern bekannt, die mit Hilfe einer N χ /V-Butler-Matrix, festen und variablen Phasenschiebern und einem als Leistungsverteilernetzwerk ausgebildeten Eingabenetzwerk angeregt werden. Ein solcher Verteiler ermöglicht die Synthese von Strahlungsdiagrammen und ihrer Auslenkung bis 360° im Azimut. Die Butler-Matrix dient hierbei nicht zur Mehrstrahlerregung, sondern zur Erzeugung von N sogenannten Spannungsmoden auf der Apertur der Antenne. Im vorstehend genannten Aufsatz sind die Belegungskoeffizienten berechnet, die erforderlich sind, um bestimmte bekannte Aperturbeiegungen zu erzielen. Die Verwendung einer derartigen Antenne ist deswegen vorteilhaft, weil sich nahezu identische Strahlungsdiagramme erzeugen lassen, weil die Phasensteuerung linear ist und weil eine begrenzte Anzahl von Strahlern aktiviert werden kann. In Fig. 1 ist eine solche benannte Anordnung im einzelnen dargestellt. Dabei sind N kreisförmig angeordnete Einzelstrahler 1 zu einer Strahlergruppe vereinigt, welche über gleiche Kabellängen 2 von einer NxN-Butler-Matrix 3 gespeist werden. Von einer Signalquelle 4 gelangen die HF-Signale über einen 1 : W-Leistungsverteiler 5, N feste Phasenschieber 6 und N variable Phasenschieber 7 an die Eingänge der Butler-Matrix 3, so daß sich ein über 360" im Azimut rotierender Strahl erzeugen läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, phasengesteuerte Strahlergruppen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mehrere voneinander unabhängige Eingänge vorhanden sind, derart, daß sich entweder so viele Strahlen, wie die Strahlergruppe Einzelstrahler aufweist, gleichzeitig erzeugen lassen oder daß wahlweise eine Umschaltung von Strahl zu Strahl möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei Speisung der Einzelstrahler über eine N χ /V-Butler-Matrix dadurch gelöst, daß als Eingabenetzwerk eine weitere N χ /V-Butler-Matrix vorgesehen ist und daß die Phasenschieber ausschließlich durch Festwertphasenschieber gebildet sind. Bei Speisung der Einzelstrahler über zwei /V/2 χ /V/2-Butler-Matrizen wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe entsprechend gelöst, nämlich dadurch, daß als Eingabenetzwerk zwei weitere /V/2 χ /V/2-Butler-Matrizen vorgesehen sind und daß die Phasenschieber ausschließlich durch Festwertphasenschieber gebildet sind.

Eine Strahlergruppe nach der Erfindung ermöglicht mit entsprechend vielen Empfängern die gleichzeitige Überwachung eines Winkelsektors bis zu 360° im Azimut. Dabei können z. B, zuverlässig mit einem hohen Antennengewinn sehr kurze Signale empfangen werden, die eventuell aus verschiedenen Richtungen eintreffen. Wird nur ein Empfänger benutzt, so kann er von Eingang zu Eingang der zusätzlichen Butler Matrix geschaltet werden, so daß der Antennenstrahl bis zu 360" ausgelenkt werden k;iiin. ohne daß kostspielige variable Phasenschieber verwendet werden müssen, oder ohne mechanische Rotation und die damit verbundenen aerodynamischen Probleme. Stehen mch-

rere Empfänger zur Verfügung, so ist es mit einer Strahlergruppe nach der Erfindung möglich, einen Strahl drehen zu lassen, während andere Strahlen in festen Richtungen gehalten werden.

Durch die Erfindung werden somit die /V kostspieligen variablen Phasenschieber und der 1 : N Leistungsverteiler der bekannten Kreisgruppenantenne im einen Fall durch eine N χ /V-Butler-Matrix oder im anderen Fall durch zwei /V/2 χ /V/2-Butler-Matrizen ersetzt Diese Matrix bzw. die beiden Matrizen arbeiten ι ο zuverlässig und erlauben die gleichzeitige Erzeugung von bis zu N Strahlen oder das Umschalten von Strahl zu Strahl.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist es bei Verwendung zweier den N Einzelstrahlern der Strahlergruppe vorgeschalteter N/2 χ N/2-Butler-Matrizen möglich, ein Summen-Differenz-Strahlungsdiagramm zu bilden, wenn die erste dieser beiden Matrizen die Einzelstrahler gerader Ordnung und die andere dieser beiden Matrizen die Einzeistrah'er ungerader Ordnung anregt, wenn die Festwertphasenschieber öjrch /V/2 3dB-KoppIer gebildet sind, deren einer Ausgang jeweils mit der einen Matrix und deren anderer Ausgang jeweils mit der anderen Matrix verbunden ist, und wenn die einen Eingänge aller 3 dB-Koppler von den Ausgängen der einen der beiden weiteren M2-Butler-Matrizen und die anderen Eingänge der 3 dB-Koppler von den Ausgängen der anderen der beiden /V/2-Butler-Matrizen gespeist werden. Es kann dann ohne Schwierigkeiten mit Hilfe eines empfangsseitigen Monopulsverteilers mit der Genauigkeit des Monopulsverfahrens die Richtung eines oder auch mehrerer einfallender Signale festgestellt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig.2 das Blockschaltbild für die Mehrstrahlerregung bei einer kreisförmigen Strahlergruppe nach der Erfindung,

F i g. 3 die Erregung einer bekannten Kreisgruppenantenne mit zwei N/2 χ M2-Butler-Matrizen anstelle einer einzigen /V χ /V-Butler-Matrix und

Fig.4 das Blockschaltbild für die Mehrstrahlerregung einer kreisförmigen Strahlergruppe nach der Erfindung mit Monopulsauswertung.

F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild für die Mehrstrahlerregung bei einer kreisförmigen Strahlergruppe nach der Erfindung. Die oben in dieser Figur dargestellte N χ /V-Butler-Matrix 3 stimmt mit der gleich bezeichneten Matrix in der bekannten Anordnung nach F i g. 1 überein und ist mit ihren /V Ausgängen auch mit den N Einzelstrahiern der kreisförmigen Strahlergruppe verbunden. Über feste Phasenschieber 8 mit den fortlaufenden Phasenwerten x_t, Xt,..., «,»..., Xn ist die Butler-Matrix 3 mit ihren N Eingängen mit den N Ausgängen einer weiteren N χ W-Butler-Matrix 9 verbunden, die das Verteilernetzwerk 5 in der bekannten Anordnung nach F i g. 1 ersetzt. Die Butler-Matrix 9 weist N Eingänge (1, 2,.... m',... N) auf. Ein Phasenhub von

I₁T 2n2j ,m-r

λΓ* ~n~ /v

für den r-ten Eingang der Butler-Matrix 3 erzeugt eine Strahlauslenkung ipm'von

2.-τ

2m' ά

t)5

im Azimut.

Diese Auslenkung ist in Fig.2 rechts dargestellt. Dieser Satz von m'=\ bis m'=N Phasenwerten wird von der N χ /V-Butler-Matrix erzeugt. Folglich entstehen /VStrahlen mit einem Abstand von -^- . Der Radius der kreisförmigen Strahlergruppe kann in einer vorteilhaften Ausführungsform so gewählt werden, daß der Überschneidungspunkt der benachbarten Hauptkeulen bei 3 dB liegt. Die Halbwertsbreite einer Hauptkeule beträgt hierbei 2 π/N.

Um die Anzahl von 3dB-Kopplern in einer Butler-Matrix zu verringern, ist in einem Aufsatz von Sheleg, »Butler-Submatrix Feed Systems für Antenna Arrays« IEEE Trans. AP, vol.21, Nr. 2, S. 228-229, März 1973, gezeigt worden, daß die N χ /V-Butler-Matrix durch zwei /V/2 χ /V/2-ButIer-Matrizen ersetzt werden kann. Dabei verliert zwar das Syntheseverfahren etwas an Genauipkeit, führt aber trotzdem noch zu durchaus akzeptablen Strahlungsdiagrammen. ία Fig.3 ist eine Schaltung zur Erregung einer bekannten Kreisgruppenantenne mit zwei N/2 χ /v72-Butler-Matrizen anstelle einer einzigen N χ /V-Butler-Matrix dargestellt Hierbei wird allerdings noch nicht der Gegenstand der Erfindung angewandt Die N kreisförmig angeordneten Einzelstrahler 1 werden hierbei von zwei /V/2 χ NI2-Butler-Matrizen 10 und 11 über gleiche Kabellängen 2 gespeist, wobei die Matrix 10 die Einzelstrahler 1 gerader Ordnung und die Matrix 11 die Einzelstrahler 1 ungerader Ordnung ansteuert. Diese besondere Ansteuerung der Einzelstrahler 1 kann zur Erzeugung eines Summen-Differenz-Diagramms dienen, was im einzelnen noch im Zusammenhang mit F i g. 4 erläutert wird, da dort die Anschaltung der Butler-Matrizen 10 und 11 an die Kreisstrahlergruppe genauso erfolgt Von der Signalquelle 4 gelangen die Hf-Signale über einen 1 : /V/2-LeistungsverteiIer 12, /Vfeste Phasenschieber 13 und N/2 variable Phasenschieber 14 an die Fingänse der beiden /V/2 χ /V/2-Butler Matrizen 10 und li von denen jede /V/2 Eingänge hat. Da sich die Zahl der Eingänge der beiden parallel gesteuerten Butler-Matrizen 10 und 11 auf /V/2 und nicht auf N wie bei der einzigen Butler-Matrix 3 der Anordnung nach Fig. 1 beläuft, ist die Halbwertsbreite der Hauptkeulen doppelt so groß wie bei der Strahlergruppe nach Fig. 1, d. h. 4 Jt/N. Soll nunmehr der Überschneidungspunkt der benachbarten Hauptkeulen bei 3 dB liegen, so muß der Radius des Kreises, auf welchem die Einzelstrahler 1 angeordnet sind, zur Hälfte des Werts der Anordnung nach F i g. 1 angesetzt werden.

F i g. 4 zeigt in Blockschaltbildform das Mehrstrahlererregernetzwerk für Monopulsauswertung unter Anwendung zweier zusätzlicher /V/2 χ /V/2-Butler-Matrizen nach der Erfindung. Die beiden oben in dieser Figur dargestellten .V/2 χ /V/2-Butler-Mati 'w.n 10 und U stimmen mit den gleich bezeichneten Matrizen in der Anordnung nach Fig.3 überein, wobei die Butler-Matrix 10 ausgangsseitig zu den Einzelstrahlern mit gerader Ordnung i,nd die Butler-Matrix 11 ausgangsseitig zu den Einzelstrahlern mit ungerader Ordnung geführt ist. Wird die Strahlrichtung der ersten Einzelstrahlcrgruppe um einen Winkel 2 jr.'/Vnach links und die Strahlrichtung der zweiten Einzelstrahlergruppe um einen Winkel 2 π/Ν nach rechts verschoben, so läßt sich unter Verwendung von den Butler-Matrizen 10 und 11 vorgeschalteten 3 dB-Kopplern 15 ein Summen- und Differenzdiagramm erzeugen. Die 3 dB-Koppler werden an ihrem einen Eingang von einer weiteren /V/2 χ /V/2-Butler-Matrix 16 und an ihrem anderen

Eingang von einer anderen weiteren /V/2 χ /V/2-Butler-Matrix 17 gespeist. Die 2-Butler-Untermatrix und die <d-Butler-Untermatrix 17 haben jeweils M2-Eingänge.

Die Erregung nach der in Fig.4 gezeigten Methode ist besonders geeignet für IFF- und Azimiiipeilung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aus N in Kreisform auf einer Ebene, insbesondere Azimutebene, angeordneten, jeweils in Normalenrichtung nach außen strahlenden Einzelstrahlern bestehende, phasengesteuerte Strahlergruppe, die über eine an die Einzelstrahler angeschlossene N χ /V-Butler-Matrix sowie N dieser Matrix vorgeschaltete Phasenschieber und ein den Phasenschiebern vorgeschaltetes Eingabenetzwerk angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingabenetzwerk eine weitere .V χ /V-Butler-Matrix (9) vorgesehen ist und daß die Phasenschieber ausschließlich durch Festwertphasenschieber (8) gebildet sind.

2. Aus N in Kreisform auf einer Ebene, insbesondere der Azimutebene, angeordneten, jeweils in Nonnalenrichtung nach außen strahlenden Einzelstrahlern bestehende, phasengesteuerte Strahlergruppe, die über zwei an die Einzelstrahler angeschlossene /V/2 χ /V/2-Butler-Matrizen sowie N diesen beiden Matrizen vorgeschaltete Phasenschieber und ein den Phasenschiebern vorgeschaltetes Eingabenetzwerk angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingabenetzwerk zwei weitere /V/2 χ /V/2-Butler-Matrizen (16, 17) vorgesehen sind und daß die Phasenschieber ausschließlich durch Festwertphasenschieber (8) gebildet sind.

3. Phasen_besteuerte Strahlergruppe nach Ansprach 2 zur Bildung einer Summen-Differenz-Strahlungsdiagramms, dpdurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden an die CinzeHrahler angeschlossenen Matrizen (10) die Einzelstrahler (1) gerader Ordnung und die andere dieser beiden Matrizen (11) 1 > die Einzelstrahler (1) ungerader Ordnung anregt, daß die Festwertphasenschieber durch N/2 dB-Koppler (15) gebildet sind, deren einer Ausgang jeweils mit der einen Matrix (10) und deren anderer Ausgang jeweils mit der anderen Matrix (11) verbunden ist, und daß die einen Eingänge aller 3 dB-KoppIer(15) von den Ausgängen der einen der beiden weiteren /V/2-Butler-Matrizen (16) und die anderen Eingänge der 3 dB-Koppler von den Ausgängen der anderen der beiden /V/2-Butler 4> Matrizen (17) gespeist werden.

4. Phasengesteuerte Strahlergruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der kreisförmigen Strahlergruppe so gewählt ist, daß der Überschneidungs- -> <> punkt benachbarter Hauptkeulen bei 3 dB liegt.