DE2904095C2

DE2904095C2 -

Info

Publication number: DE2904095C2
Application number: DE2904095A
Authority: DE
Inventors: Richard F. Deer Park N.Y. Us Frazita
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1979-02-03
Publication date: 1989-06-08
Also published as: US4359740A; BR7900700A; SU1091861A3; SE440297B; DE2904095A1; IT1118333B; JPS6013603B2; NL7900932A; GB2013983B; CA1114497A; IT7967249A0; IL56447A; SE7901050L; AU4160678A; AU518063B2; GB2013983A; NL187140C; FR2416563A1; FR2416563B1; NL187140B

Description

Die Erfindung geht aus von einem Antennensystem mit einer phasengesteuerten, eine Anzahl von Einzelstrah lern aufweisenden Gruppenantenne und mit einem Kop pelnetzwerk, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Phasengesteuerte Gruppenantennen enthalten in ihrem Koppelnetzwerk eine große Anzahl einstellbarer Pha senschieber, die dazu dienen, das eingespeiste Hoch frequenzsignal mit der zu der gewünschten Winkellage des Strahls gehörenden Phasenlage den einzelnen Strahlern zuzuführen. Diese Phasenschieber sind elektronische Bauelemente und können, wie alle elektro nischen Bauelemente, eine fehlerhafte Funktion zeigen, was im Ergebnis zu einer falschen Phasenlage des dem entsprechenden Strahler zugeführten Hochfrequenzsignals führt. Bereits der Ausfall eines einzelnen Phasenschie bers kann zu einem erheblichen Richtfehler beim Steuern der Antenne führen, was aber weder an der Antenne selbst noch dem von der Antenne empfangenen Signal anzusehen ist. Es ist deswegen aus der US-PS 33 78 846 bekannt, an die einzelnen Phasenschieber eine Fehler erkennungseinrichtung anzuschließen, um zu überprüfen, ob das Signal tatsächlich die gewünschte Phasenver schiebung erhält. Die Patentschrift enthält keine Angaben, was geschehen soll, wenn die Fehlfunktion eines Phasenschiebers erkannt wird.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Antennensystem der im Oberbegriff des Anspruches ge nannten Art so weiterzubilden, daß der Richtfehler, der beim Ausfall eines Phasenschiebers auftritt, auf einfache Weise auszugleichen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Antennen system mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch das Abschalten des Phasenschiebers wird der Signalweg über den Phasenschieber gesperrt. Der da durch hervorgerufene Richtfehler ist eine feste Funktion des Schwenkwinkels und läßt sich korrigieren.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegen standes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein phasengesteuertes Antennensystem in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Phasenschiebers und eines Schalters zur Verwendung in dem Anten nensystem nach Fig. 1,

Fig. 3A eine ausführliche schematische Darstellung einer einen Schalter bildenden 180°-Phasen schiebereinheit eines Phasenschiebers,

Fig. 3B ein Blockschaltbild einer Ansteuereinrichtung für die 180°-Phasenschiebereinheit nach Fig. 3A,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Hochfre quenzschalters für einen Phasenschieber,

Fig. 5 ein Diagramm einer Phasenfunktion für die Strahlergruppen einer Gruppenantenne nach Fig. 1 und

Fig. 6 ein Diagramm des Phasenfehlers als Funktion des Abtastwinkels bei einem fehlerhaft ar beitenden Phasenschieber der Gruppenantenne nach Fig. 1.

Fig. 1 veranschaulicht ein Antennensystem mit einer phasengesteuerten Gruppenantenne (Array-Antenne), wie sie in der US-PS 40 41 501 beschrieben ist. Das An tennensystem weist einen Sender 12 auf, der über ein Koppelnetzwerk 14 mit Einzelstrahlern verbunden ist. Das Koppelnetzwerk 14 enthält eine Anzahl digitaler Phasenschieber 18. Mittels einer in vielen Ausfüh rungsformen bekannten Steuereinheit 34 werden Phasen schieber-Steuersignale erzeugt. Der Ausgang jedes Phasenschiebers 18 ist mit einer zugehörigen Lei stungsverzweigung 16 verbunden, wodurch die Signale jedes der Phasenschieber 18 in zugehörige Strahler gruppen 20, 21, 22 etc., die von den Einzelstrahlern gebildet sind, eingespeist werden. Die Strahlergrup pen 20, 21, 22 etc. weisen Paare von Einzelstrahlern 20 a, 20 b, 21 a, 21 b etc. auf. Wellenleiter 30 und 32 verbinden die Strahlergruppen 20, 21, 22 etc. unter einander und bewirken, daß die in den Eingang jeder Leistungsverzweigung 16 eingespeisten Signale auf alle Einzelstrahler in jeder Strahlergruppe der Grup penantenne verteilt werden.

Die in Fig. 1 dargestellten Wellenleiter 30, 32 befähigen die phasengesteuerte Gruppenantenne, in einen ausgewählten Raumbereich Signale abzustrahlen und die Abstrahlung in andere Raumbereiche zu unterdrücken, wodurch ein großer effektiver Abstand der Einzelstrahler möglich ist, ohne daß unerwünschte Nebenzipfel auftreten. Als Folge hiervon kann die Gruppenantenne eine geringere Anzahl von Phasenschie bern 18 aufweisen, als dies bei bekannten Gruppenanten nen möglich ist, die dieselbe Funktion erbringen. Die in Fig. 1 gezeigte Gruppenantenne 10 beinhaltet acht Phasen schieber 18, die die Signale in 16 Einzelstrahler ein speisen.

Wegen der verringerten Anzahl von Phasenschiebern reagiert die Gruppenantenne 10 empfindlicher mit Strahlrichtfehlern, die aufgrund eines einzelnen, fehlerhaften Phasenschiebers auftreten.

Fig. 5 veranschaulicht die Phasenlage für Einzelstrahler bei zwei speziellen Strahlrichtwinkeln. Eine ideale Phasenfunktion 92 einer Strahllagerichtung ist durch abgestufte Phasenwerte 94 der direkt in die Strah lergruppen eingespeisten Signale angenähert. Falls einer der Phasenschieber der Gruppenantenne 10, beispiels weise der der Strahlergruppe 23 zugeordnete Phasenschieber, fehlerhaft funktioniert und somit be wirkt, daß eine der Phasenschiebereinheiten unwirksam ist, weicht die Phase des in die Strahlergruppe 23 eingespeisten Signales von der typischen Treppen funktion 96 ab und hat anstelle des gewünschten Phasen wertes 97 einen unterschiedlichen Phasenwert 98, der sich von dem gewünschten Phasenwert entsprechend der fehlerhaften Phasenschiebereinheit unterscheidet.

Bei einer anderen Strahllagerichtung, bei der die Gruppen antenne 10 eine andere ideale Phasenfunktion 100 er fordert, entspricht die Phasenfunktion der in alle An tennenelemente eingespeisten Signale derselben Phasen funktion, wie sie auch vorliegen würde, falls der zu der Strahlergruppe 23 zugehörige Phasenschieber nicht fehlerhaft wäre. Dies ergibt sich deshalb, weil der fehlerhafte Phasenschieber denselben Phasenwert 98 aufweist, wie er ihn normalerweise für die Strahllage richtung entsprechend der Kurve 100 erzeugt. Auf diese Weise gibt es bei einem Antennenstral, der in eine Richtung entsprechend der Kurve 92 abgestrahlt wird, einen Phasenfehler bei dem in die Strahler gruppe 23 eingespeisten Signal, wenn der zugehörige Phasenschieber fehlerhaft arbeitet; jedoch gibt es keinen Phasenfehler, wenn die Antenne so gesteuert ist, daß sie in eine Richtung entsprechend der Phasen funktion 100 strahlt.

Der Phasenfehler von in die Strahlergruppe 23 ein gespeisten Signalen führt zu einem Winkelrichtfehler des Antennenstrahls. Da, wie durch die Kurve nach Fig. 6 dar gestellt, der Phasenfehler selber eine Funktion des Ab tastwinkels ist, ist auch der Antennenstrahlungsrichtfeh ler eine Funktion des Abtastwinkels. Diese Abhängigkeit von den Antennenstrahlungswinkeln erschwert das Auffinden des Fehlers mit Hilfe eines Monitors in dem Antennen strahl und es ist nicht möglich, durch eine Verstellung des Systems um einen festen Betrag den Strahlricht fehler zu korrigieren.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß es besser ist, das Einspeisen von Hochfrequenzsignalen in die Einzelstrahler über einen fehlerhaften Phasenschieber zu unterbrechen anstatt weiterhin Hochfrequenzsignale mit fehlerhafter Phase in die Einzelstrahler einzuspeisen. Die Versorgung von Strahlergruppen mit Hochfrequenz signalen, die eine Phase aufweisen, die nur wäh rend bestimmter Antennenstrahlungsrichtungen fehlerhaft ist, kann zu einem mit der Richtung sich ändernden Feh ler führen, der nicht durch übliche Korrekturmethoden ausgeglichen werden kann und der bei einem Mikrowellen landesystem zu Navigationsfehlern führt, die extrem gefährlich sein können. Es wurde festgestellt, daß durch die Unterbrechung der Signalvorsorgung für die Strahlergruppe, die zu einem fehlerhaft arbeitenden Pha senschieber gehört, nur ein sehr kleiner Strahlricht fehler verbleibt und daß der verbleibende Fehler eine feste Funktion des Strahlungswinkels ist. Zusätzlich er gibt sich ein erträgliches Anwachsen bei den Nebenzipfel amplituden.

Fig. 2 veranschaulicht eine Phasenschieber- und Schalter kombination 18, die in der Gruppenantenne 10 nach Fig. 1 verwendbar ist. Die Kombination 18 nach Fig. 2 enthält einen 4-Bit Phasenschieber 40, der mit Steuersignalen aus einer Treiber- und Fehlererkennungsschaltung 42 ver sorgt wird. Der Phasenschieber 40 kann von jeder geeigne ten Art sein. Üblicherweise sind in Verbindung mit phasen gesteuerten Gruppenantennen, wie sie in Fig. 1 veranschau licht sind, digitale Dioden- oder Ferritphasenschieber eingesetzt. Die Treiber- und Fehlererkennungsschaltung 42 empfängt von einer Steuereinrichtung 34 logische Signale, die der gewünschten Phase entsprechen, und wandelt die se Signale in geeignete Spannungen und Ströme zum Steuern der HF-Teile des Phasenschiebers um. Entsprechend bekann ter Entwurfsgrundsätze enthält die Treiber- und Fehlerer kennungsschaltung 42 eine eingebaute Testeinrichtung, die ein Ausgangssignal erzeugt, falls der jeweilige Phasen schieber nicht richtig arbeitet. Die Testeinrichtung er kennt vorzugsweise Fehler in den Logik- und Stromversorgungs teilen der Treiberschaltung sowie Fehler der Treiber schaltung beim zweckentsprechenden Ansteuern des Pha senschiebers. Wenn der Phasenschieber mit Ferriten aufgebaut ist, wobei auf einem Draht ein Strom eingeprägt ist, der durch seinen Magnetismus den Zustand des Ferritmaterials des Phasenschiebers ändert, weist die eingebaute Testeinrichtung auch vor teilhafterweise eine Fühleinrichtung auf, die auf Fluß änderungen in dem Ferritmaterial anspricht und eine Anzeige für die richtige Arbeitsweise des Ferritteils des Phasenschiebers liefert. Wenn der Phasenschieber mit Dioden aufgebaut ist, so enthält die eingebaute Test einrichtung vorzugsweise Schaltungen, die erkennen, ob die richtigen Spannungen und Ströme zum Vorspannen der Dioden des Phasenschiebers durch die Treiberschaltung er zeugt werden. Diese Spannungen und Ströme haben nicht die richtige Höhe, falls die Dioden fehlerhaft arbei ten. Die eingebaute Testeinrichtung arbeitet üblicher weise während Zeitintervallen, zu denen die Antenne nicht sendet, und überprüft die Antwort des Phasenschiebers auf simulierte Phasensteuersignale. Gewöhnlich erzeugt die eingebaute Testeinrichtung ein einzelnes logisches Ausgangssignal, das anzeigt, daß in der Treiberschaltung oder in den Komponenten des Phasenschiebers eine Fehl funktion aufgetreten ist. Dieses Ausgangssignal kann an eine Bedienkonsole weitergeleitet werden, um dort eine Sichtanzeige der Fehlfunktion zu erzeugen. Bei der neuen Schaltungseinrichtung wird dieses die Fehlfunktion anzeigende Signal auch in eine Treiberschaltung 46 ein gespeist, die einen HF-Schalter 44 betätigt. Abhängig von einem solchen Signal öffnet der HF-Schalter 44 die Ein gangswellenleitung zu einem Phasenschieber 40, so daß die in einen Eingangsanschluß 36 eingespeisten HF-Si gnale nicht zu einem Ausgangsanschluß 38 gelangen können.

Der HF-Speicher 44 kann auch an der Ausgangsseite des Pha senschiebers 40 angeordnet sein. Wenn jedoch der HF-Schal ter 44 so aufgebaut ist, daß er ankommende HF-Signale reflektiert, kann es günstig sein, den HF-Schalter an der Eingangsseite des Phasenschiebers 40 anzuordnen, so daß nicht etwa durch den geöffneten HF-Schalter 44 hervorgerufene stehende Wellen schädlich auf die Kompo nenten des Phasenschiebers 40 einwirken.

Fig. 3A veranschaulicht ein geeignetes Ausführungsbei spiel, bei dem der Phasenschieber ein Diodenphasenschie ber ist, der eine 180°-Phasenschiebereinheit 48 aufweist. Die Schaltung nach Fig. 3A enthält einen Eingangs-HF-Wel lenleiter 50 sowie einen Ausgangswellenleiter 52, die mit den voneinander isolierten Anschlüssen eines 3-dB-Kopplers 54 verbunden sind. Die anderen Anschlüsse des Kopplers 54 sind mit Kurzschlüssen 60 und 62 ab geschlossen. Wellenleiter 56 und 58, die eine viertel Wellenlänge aufweisen, verbinden die Kurzschlüsse 60 und 62 mit Dioden 64 und 66. Serienschaltungen aus den Dioden 64 und 66 mit Kondensatoren 70 und 72 sind jeweils zwischen den Wellenleitern 56, 58 und Masse angeordnet. Wenn aufgrund einer an Steueranschlüsse 78 und 80 angelegten Sperrspannung die Dioden 64 und 66 im nichtleitenden Zustand sind, werden die in den Eingangswellenleiter 50 eingespeisten HF-Signale von den Kurzschlüssen 60 und 62 reflektiert und zu dem Ausgangswellenleiter 52 übertragen. Wenn hingegen die an den Dioden 64 und 66 anliegende Vorspannung in Durchlaß richtung gepolt ist, sind die Dioden 64, 66 leitend und wirken als Kurzschluß für die Wellenleiter 56 und 58, wobei diese Kurzschlußstelle um eine viertel Wellen länge näher an dem Koppler 54 liegt. Auf diese Weise durchlaufen die HF-Signale, die von dem Eingangswellen leiter 50 auf den Ausgangswellenleiter 52 übertragen werden, eine Strecke, die eine halbe Wellenlänge kürzer ist, wodurch sie eine 180° Phasendrehung erfahren. Das Einkoppeln von HF-Signalen in die Steueranschlüsse 78 und 80 wird mittels Induktivitäten 74 und 76 ver hindert.

Gemäß der neuen Schaltungsanordnung ist es möglich, den 180°-Phasenschieber 48 eines mit Dioden aufge bauten Phasenschiebers nach Fig. 3A für die erforder liche Schaltfunktion der neuen Schaltungsanordnung zu verwenden. Diese Schaltfunktion kann dadurch er reicht werden, daß die Steueranschlüsse 78, 80 mit jeweils umgekehrter Polarität vorgespannt werden, so daß eine Diode in Durchlaßrichtung und die andere Diode in Sperrichtung vorgespannt ist. Hierdurch wird erreicht, daß die reflektierten Hochfrequenzsignale eine ungleiche Phasenlage aufweisen, wodurch das Ein gangs-HF-Signal auf dem Wellenleiter 50 in denselben zurückreflektiert wird. Auf diese Weise kann die 180°-Phasenschiebereinheit 48 auch als Schalter ver wendet werden. Bei dieser Betriebsweise ist es not wendig, für die Steueranschlüsse 78, 80 getrennte Treiberschaltungen vorzusehen, wie in Fig. 3B ver anschaulicht. Ein offensichtlicher Nachteil dieses Ausführungsbeispieles besteht darin, daß zur Er kennung einer Fehlfunktion in der 180°-Phasenschieber einheit 48 anspruchsvollere Schaltungen sowie getrennte, eingebaute Testeinrichtungen für die Dioden 64 und 66 und die zugehörigen Treiber erforderlich sind um sicher zustellen, daß keine HF-Signale durch die Phasenschieber gelangen, falls eine Fehlfunktion auftritt.

In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines für die neue Schaltungsanordnung erforderlichen Schalters dargestellt. Der Schalter 44 ist ein verhältnismäßig einfacher Diodenschalter, bei dem eine Diode 84 zwi schen einem Wellenleiter 82 und Masse geschaltet ist. Eine Vorspannung in Durchlaßrichtung der Diode 84 bewirkt, daß die Diode für die HF-Signale auf den Wellenleiter 82 einen Kurzschluß nach Masse ergibt. Wenn die Diode 84 über einen Anschluß 90 in Sperrich tung vorgespannt ist, stellt diese eine offene Schalt verbindung zwischen dem Wellenleiter 82 und Masse dar, womit HF-Signale vorbeigelangen können. Ein Kondensator 86 sowie eine Induktivität 88 verhindern eine Interferenz der HF mit den Schaltungen für die Vorspannungserzeugung.

Es ist auch möglich, weitere Modifikationen an speziellen Komponenten, die in der Schalter-Phasenschieberkombination 18 nach Fig. 2 verwendet sind, zu machen. Bei be stimmten Anwendungen, beispielsweise wenn eine hohe Sendeleistung vorliegt, kann es notwendig oder zweck mäßig sein, mit Ferriten aufgebaute Schalter einzusetzen oder einen Schalter zu verwenden, der derart mit einem Abschluß versehen ist, daß Eingangssignale nicht in den Sender zurückreflektiert werden.

Bekanntlich sind die Antennen nach Fig. 1 umkehrbar und können ebenso zum Empfangen von Signalen verwendet werden wie zum Senden, vorausgesetzt, daß eine ge eignete Anordnung der Phasenschieber vorgesehen ist. Bestimmte Phasenschieber sind jedoch, wie Phasen schieber aus Ferriten, aufgrund ihrer Natur nicht umkehrbar und erfordern für den Empfangsbetrieb andere Steuersignale als sie für den Sendebetrieb verwendet werden. Nichtsdestoweniger betrifft die neue Schaltungs anordnung die Trennung einer Phasenschieberschaltung von dem Sender oder Empfänger falls der Phasenschieber fehlerhaft arbeitet, und sie ist ebenso auf Empfang- wie auch auf Sendeantennensysteme anwendbar. Die durch die Signalflußunterbrechung durch fehlerhafte Phasen schieber erzielten Vorteile gelten, soweit sie die Strahlrichtungsgenauigkeit verbessern, in gleicher Weise ebenso für Empfangsantennen.

Claims

Antennensystem mit einer phasengesteuerten, eine Anzahl von Einzelstrahlern aufweisenden Gruppenantenne, und mit einem Koppelnetzwerk, das Phasenschieber enthält, über die Hochfrequenzsignale in die Einzelstrahler eingespeist werden, wobei jedem der Phasenschieber zum Erkennen einer Fehlfunktion eine Fehlererkennungs einrichtung zugeordnet ist, die bei Fehlfunktion des dazugehörigen Phasenschiebers ein Ausgangssignal ab gibt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Phasenschie ber (18) ein diodengesteuerter Phasenschieber mit schaltbarer 180°-Phasendrehung ist, der zwei Reflexions dioden (64, 66) aufweist, daß für die Reflexionsdioden (64, 66) eines jeden Phasenschiebers (18) eine Ansteuer schaltung (Fig. 3b) vorgesehen ist, die zusätzlich durch das Ausgangssignal derjeweils zugehörigen Fehler erkennungseinrichtung steuerbar ist, und daß zum Ab schalten des jeweiligen Phasenschiebers (18) seine bei den Reflexionsdioden in einander entgegengesetzten Leitzustand schaltbar sind, um die HF-Signalüber tragung zu unterbrechen.