DE3033242C1 - Sende-Empfangs-Anordnung fuer ein Doppler-Radargeraet mit schnell veraenderlicher Frequenz - Google Patents

Sende-Empfangs-Anordnung fuer ein Doppler-Radargeraet mit schnell veraenderlicher Frequenz

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DE3033242C1 DE3033242A DE3033242A DE3033242C1 DE 3033242 C1 DE3033242 C1 DE 3033242C1 DE 3033242 A DE3033242 A DE 3033242A DE 3033242 A DE3033242 A DE 3033242A DE 3033242 C1 DE3033242 C1 DE 3033242C1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-Empfangs-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In Doppler-Radargeräten ist die auf den Doppler-Effekt zurückzuführende Verschiebung zwischen der ausgesendeten und der empfangenen Frequenz durch die Beziehung fd=2V r /λ gegeben, in der V r die relative Radialgeschwindigkeit zwischen dem Ziel und dem Radargerät ist, während λ die Wellenlänge des ausgesendeten Signals ist.
Am häufigsten hat das ausgesendete Signal während der Dauer der Verarbeitung des entsprechenden Signals eine konstante Frequenz, also während der Dauer, die ihrerseits vom angestrebten Auflösungsvermögen abhängt.
In Radargeräten mit schnell veränderlicher Frequenz ist jedoch die Frequenz des von einem Filterzyklus zum nächsten ausgesendeten Signals variabel, damit insbesondere die Auswirkungen möglicher Störsender vermieden werden.
Die Dopplerverschiebung hängt aber von der Wellenlänge des ausgesendeten Signals ab, und wenn die Schwankung der Wellenlänge ausreichend groß ist, wird die Schwankung der Dopplerverschiebung größer als die Bandbreite des Empfangsfilters für die Zielechos.
Aufgrund der Verschiebung der Frequenz des empfangenen Signals bezüglich der Mitte des Frequenzbandes des Empfangsfilters ergibt sich daraus ein Informationsverlust bezüglich der Geschwindigkeit und der Verfolgung des Ziels.
Derzeit übliche Zielverfolgungs-Doppler-Radargeräte enthalten gewöhnlich zwei Oszillatoren. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird der Sendeoszillator 1 beispielsweise von einem Quarzoszillator gesteuert, und er liefert eine möglichst reine Bezugswelle. Der zweite Oszillator 2, der Empfangsoszillator, ist beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator, dessen Frequenz von einer Frequenzregelschaltung 4, einer sogenannten AFC-Schaltung, so gesteuert wird, daß das vom Ziel empfangene Signal eine konstante Frequenz hat, wobei in herkömmlicher Weise ein Frequenzdiskriminator 3 vorgesehen ist. Eine Phasenschleife 6 ermöglicht es, für den Empfangsoszillator die Spektralreinheit zu gewährleisten, wobei die Verfolgung des Ziels dadurch sichergestellt wird, daß in diese Schleife eine variable Umsetzungsfrequenz eingegeben wird, die von einem Doppleroszillator mit niedrigerer Ausgangsfrequenz geliefert wird, was mit guter Spektraleinheit einfacher realisiert werden kann.
Solche Anordnungen ermöglichen es jedoch beim Arbeiten mit schnell veränderlicher Frequenz nicht, die momentane Verschiebung der Mittenfrequenz des Signals in bezug auf die Mittenfrequenz des schmalbandigen Filters 7 zu vermeiden, das die Verarbeitung der Echosignale ermöglicht, wobei die langsame Frequenzregelschleife ein sofortiges Nachregeln der Verschiebung nicht ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sende-Empfangs- Anordnung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß eine starke Veränderung der Sendefrequenz möglich ist, während das vom Ziel empfangene Signal in der Mitte des Bandes des Empfangsfrequenzfilters erhalten bleibt.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen gelöst. Eine derartige Sende-Empfangs-Anordnung eignet sich besonders für die Verwendung in Doppler-Zielverfolgungs-Radargeräten mit schnell veränderlicher Frequenz, die in Raketen oder in Jagdflugzeugen untergebracht sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltbild einer bekannten Sende-Empfangs- Anordnung,
Fig. 2 das Schaltbild einer Sende-Empfangs-Anordnung nach der Erfindung und
Fig. 3 ein Ausführungsdetail der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in Fig. 2 dargestellte Sende-Empfangs-Anordnung für ein Doppler-Radargerät nach der Erfindung enthält einen hinsichtlich der Frequenz gesteuerten Sendeoszillator 1. Der Sendeoszillator 1 liefert über einen Modulator 8 und einen Sende- Empfangs-Schalter 9 ein Sendesignal an eine Antenne 91. Die Sende-Empfangs-Anordnung nach der Erfindung enthält außerdem einen Empfangsoszillator 2, der an einen Eingang 21 eines ersten Mischers A ein Signal zum Umsetzen der vom Sende- Empfangs-Schalter 9 kommenden Echosignale liefert. Die erfindungsgemäße Sende-Empfangs-Anordnung enthält ferner eine Frequenzregelschleife, die am Ausgang eines schmalbandigen Filters 7 zur Verarbeitung der Signale nach der Umsetzung in dem Mischer A und einem die Signale S zur Weiterverarbeitung liefernden Zwischenfrequenzverstärker 71 einen Frequenzdiskriminator 3 aufweist, der ein der Frequenzabweichung der Signale von der Mittenfrequenz des schmalbandigen Filters 7 proportionales Signal abgibt. Die Frquenzregelschleife enthält außerdem eine Frequenzregelschaltung 4 und einen Doppleroszillator 5, der ein die Dopplerfrequenz der Echosignale repräsentierendes Signal liefert. Der Doppleroszillator 5 bildet zusammen mit einem zweiten Mischer B und einem dritten Mischer C eine Schleife mit variabler Umsetzungsfrequenz. Der zweite Mischer B empfängt von einem Ausgang 12 des Sendeoszillators 1 die Bezugsfrequenz und die Bezugsphase des Sendeoszillators 1 repräsentierende Signale sowie von einem Ausgang 22 des Empfangsoszillators 2 die Bezugsfrequenz und die Bezugsphase des Empfangsoszillators 2 repräsentierende Signale. Der Ausgang des zweiten Mischers B speist direkt einen Eingang des dritten Mischers C. Der Ausgang des Doppleroszillators 5 speist einen zweiten Eingang des dritten Mischers C. Nach der Erfindung enthält die Frequenzregelschleife am Ausgang des dritten Mischers C einen Videofrequenzverstärker 110, der mit einem Steuereingang 10 des Sendeoszillators 1 verbunden ist.
Die nach der Erfindung ausgebildete Sende-Empfangs-Anordnung von Fig. 2 arbeitet folgendermaßen:
Die Dopplerverfolgung mittels der Frequenzregelschleife mit dem Doppleroszillator 5, der vom Frequenzdiskriminator 3 gesteuert wird, wird direkt mittels des dritten Mischers C und des Videofrequenzverstärkers 101 am Sendeoszillator 1 bewirkt. Die Frequenz des Radarsendesignals wird auf diese Weise direkt der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Ziel und dem Radargerät nachgeführt. Die Frequenz der vom Ziel empfangenen Echosignale wird auf diese Weise in der Mitte des Frequenzbandes des schmalbandigen Filters 7 gehalten. Eine Frequenzänderungs-Steuerschaltung 13 ermöglicht gleichzeitig die Steuerung der Frequenzen der vom Sendeoszillator 1 und vom Empfangsoszillator 2 ausgesendeten Signale, was ermöglicht, die Frequenz des Echosignals in der Mitte des Empfangsfilters 7 zu halten.
Entsprechend dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Sendeoszillator 1 einen spannungsgesteuerten Hilfsoszillator 100, der ein Hochfrequenzsignal abgibt. Der Sendeoszillator 1 enthält außerdem eine erste Frequenzteilerschaltung 101 und eine Frequenzmultiplizierschaltung 102, wobei diese beiden Schaltungen das vom Hilfsoszillator abgegebene Hochfrequenzsignal empfangen. Die erste Frequenzteilerschaltung 101 und die Frequenzmultiplizierschaltung 102 liefern mit Frequenzen im Verhältnis 1/N 0 bzw. R 0 in bezug auf die Frequenz des Hochfrequenzsignals aus dem Hilfsoszillator. Der Sendeoszillator 1 enthält ferner einen ersten Hilfsmischer 103, der das von der Frequenzmultiplizierschaltung 102 abgegebene Signal empfängt, sowie einen zweiten Hilfsmischer 104, der das von der ersten Frequenzteilerschaltung 101 abgegebene Signal empfängt.
Eine zweite Frequenzteilerschaltung 105 verbindet den Ausgang des ersten Hilfsmischers 103 mit einem Eingang des zweiten Hilfsmischers 104. Der Sendeoszillator 1 enthält schließlich einen spannungsgesteuerten Höchstfrequenzoszillator 107, dessen Steuereingang über einen Verstärker 106 mit dem Ausgang des zweiten Hilfsmischers 104 verbunden ist. Der Ausgang des Höchstfrequenzoszillators 107 gibt das vom Radargerät ausgesendete Höchstfrequenzsignal einerseits an den Modulator 8 und den Sende-Empfangs- Schalter 9 über den Ausgang 11 des Sendeoszillators 1 ab, während er andererseits dieses Höchstfrequenzsignal an einen zweiten Eingang des Hilfsmischers 103 anlegt. Die Bezugsfrequenz und die Bezugsphase des Sendeoszillators 1, die dem zweiten Mischer B zugeführt werden, werden von dem Signal gewährleistet, das die Frequenzmultiplizierschaltung 102 abgibt, wobei das von dieser Frequenzmultiplizierschaltung 102 abgegebene Signal auch an einem Eingang des zweiten Mischers B angelegt wird.
Der Sendeoszillator 1 arbeitet folgendermaßen:
Der Hilfsoszillator 100 gibt ein Signal mit der Momentanfrequenz F 0 ab; die von der Frequenzmultiplizierschaltung 102 und vom ersten Frequenzteiler 101 abgegebenen Signale haben die Frequenz R 0×F 0 bzw. F 0/N 0. Die Überlagerungsprodukte an den Hilfsmischern 103, 104 ermöglichen es, aus einem Höchstfrequenzsignal mit der Frequenz F ein Signal mit der Frequenz F+R 0×F 0 für den Hilfsmischer 103 zu erzeugen. Das Überlagerungsprodukt mit der Frequenz Null zwischen den Frequenzen ±(F-R 0×F 0/n 0) und der Frequenz F 0/N 0 am Hilfsmischer 104 ermöglicht es, die Frequenz F des vom Höchstfrequenzoszillator 107 erzeugten Signals folgendermaßen zu schreiben: F=F 0 (R 0±n 0/N 0).
Nach Fig. 3 enthält der Empfangsoszillator 2 einen Pilotoszillator 200, der ein Hochfrequenzsignal mit fester Frequenz abgibt. Der Empfangsoszillator 2 enthält außerdem eine erste Frequenzteilerschaltung 201 und eine Frequenzmultiplizierschaltung 202. Die erste Frequenzteilerschaltung 201 und die Frequenzmultiplizierschaltung 202 empfangen jeweils das vom Pilotoszillator 200 abgegebene Hochfrequenzsignal. Die erste Frequenzteilerschaltung 201 und die Frequenzmultiplizierschaltung 202 liefern Signale mit dem Verhältnis 1/N 1 bzw. R 1 bezüglich der Frequenz des vom Pilotoszillator gelieferten Hochfrequenzsignals. Der Empfangsoszillator enthält ferner einen ersten Hilfsmischer 203, der das von der Frequenzmultiplizierschaltung 202 empfangene Signal empfängt, sowie einen zweiten Hilfsmischer 204, der das von der ersten Frequenzteilerschaltung 201 gelieferte Signal empfängt. Eine zweite Frequenzteilerschaltung 205 verbindet den Ausgang des ersten Hilfsmischers 203 mit einem Eingang des zweiten Hilfsmischers 204. Die zweite Frequenzteilerschaltung 205 gibt ein Signal mit dem Verhältnis 1/n 1 ab.
Der Empfangsoszillator 2 enthält ferner einen spannungsgesteuerten Höchstfrequenzoszillator 207, dessen Steuereingang über einen Verstärker 206 mit dem Ausgang des zweiten Hilfsmischers 204 verbunden ist. Der Ausgang des Höchstfrequenzoszillators 207 gibt im Betriebszustand das Höchstfrequenzsignal zur Umsetzung der Echosignale an den ersten Mischer A und an einen zweiten Eingang des ersten Hilfsmischers 203 ab. Die Bezugsfrequenz und die Bezugsphase des Pilotoszillators 200 werden von der Frequenzmultiplizierschaltung 202 dem zweiten Mischer B zugeführt. Der Empfangsoszillator 2 arbeitet analog zum Sendeoszillator 1. Für eine Frequenz F 1 des vom Pilotoszillator 200 abgegebenen Signals gibt der Höchstfrequenzoszillator 207 ein Signal mit der Frequenz F′=F 1 (R 1±n 1/N 1). Die Frequenzveränderung des Radargeräts wird einfach durch Steuern des Werts der ganzzahligen Parameter n 0, N 0 und n 1, N 1 erhalten. Zu diesem Zweck enthält die Sende-Empfangs-Anordnung eine Frequenzänderungs-Steuerschaltung 13, mit deren Hilfe die Parameter n 0, N 0 und n 1, N 1 gleichzeitig gesteuert werden können; die Steuerung der Parameter R 0, R 1 ist in Fig. 1 durch gestrichelte Verbindungslinien angegeben, wobei diese Steuerung nicht unbedingt notwendig ist.
Die in Fig. 3 dargestellte Sende-Empfangs-Anordnung arbeitet folgendermaßen:
Die vom Sende-Empfangs-Schalter 9 gelieferten Signale haben die Frequenz
F repräsentiert dabei die Sendefrequenz des spannungsgesteuerten Höchstfrequenzoszillators 107. Nach einer Änderung der Frequenz am ersten Mischer A haben die empfangenen Echosignale die Frequenz FI=FR-F′, wobei F′ die Frequenz des spannungsgesteuerten Höchstfrequenzoszillators 207 des Empfangsoszillators repräsentiert, so daß gilt:
FI = F 0 (1 + α) (R 0 ± n 0/N 0) - (R 1± n 1/N 1) F 1.
Die Dopplerverfolgung des Ziels wird nach der Erfindung mittels des Sendeoszillators 1 bewirkt. Der Ausdruck F 0 (1+α) ist eine Konstante, die beispielsweise den Wert F 2 hat. In diesem Fall hat das empfangene Signal, das Signal mit dem Zwischenfrequenzwert, einen konstanten Wert, da die Parameter R 0, R 1, N 0, N 1, n 0, n 1 folgende Beziehung erfüllen:
mit
wobei sind:
F 0die momentane Sendefrequenz des spannungsgesteuerten Hilfsoszillators des Sendeoszillators, Vdie relative Radialgeschwindigkeit zwischen dem Radargerät und dem Ziel, Cdie Lichtgeschwindigkeit im freien Raum, F 1die Sendefrequenz des Pilotoszillators des Empfangsoszillators und Keine beliebige Konstante.
Die Frequenz der empfangenen Echosignale des Ziels wird in diesem Fall in der Mitte des Frequenzbandes des Empfangsfilters gehalten.
Ein besonders einfacher Fall zur Überprüfung der zuvor genannten Beziehung besteht darin, für die Parameter die folgenden Werte anzunehmen:
F₂ = F₁, N 0 = N 1, R 0-R 1 = KR und n 0-n 1 = KN,
wobei KR und KN zwei beliebige Konstanten sind, während n 0 und N 1 algebraische Zahlen sind. Die Frequenzteilerschaltungen 101, 105 und 201, 205 sind beispielsweise von herkömmlichen Kippschaltungen gebildet. Die Frequenzmultiplizierschaltungen 102, 202 sind beispielsweise von Multiplizierstufen mit Halbleiterbauelementen gebildet. Die Kippschaltungen, die die Frequenzteilerschaltungen bilden, werden hier nicht beschrieben, da sie dem Fachmann bekannt sind. Die Frequenzmultiplizierschaltungen sind beispielsweise im "Radar Hand Book" von Merril Skolnik auf den Seiten 32 bis 34 beschrieben. Die Frequenzänderungs- Steuerschaltung 13 ist beispielsweise von einem Mikroprozessor gebildet, mit dessen Hilfe der Teilerfaktor der Teilerschaltungen 105, 101 und 205, 201 entsprechend einer zufallsbedingten Folge in einer Anzahl vorbestimmter Teilerfaktoren ausgewählt werden kann. Die beschriebene Erfindung ermöglicht es, ein Dopplerverfolgungs-Radargerät mit schnell veränderlicher Frequenz einfach dadurch zu erhalten, daß die Teilerfaktoren der zwei Frequenzteiler verändert werden, während die zentrale Lage der empfangenen Echos im Empfangsfilter beibehalten wird.

Claims (7)

1. Sende-Empfangs-Anordnung für ein Doppler-Radargerät mit schnell veränderlicher Frequenz, mit einem hinsichtlich der Frequenz gesteuerten Sendeoszillator, einem hinsichtlich der Frequenz gesteuerten Empfangsoszillator, wobei der Sendeoszillator über einen Sende-Empfangs-Schalter ein Sendesignal an eine Antenne liefert, während der Empfangsoszillator ein Umsetzungssignal und der Sende-Empfangs- Schalter die Echosignale an einen ersten Mischer liefert, und mit einer Frequenzregelschleife mit einem Frequenzdiskriminator und einem Doppleroszillator, der mit einem zweiten und mit einem dritten Mischer eine Schleife mit variabler Umsetzungsfrequenz bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzregelschleife am Ausgang des dritten Mischers (C) einen Videofrequenzverstärker (110) enthält, der an einen Steuereingang (10) des Sendeoszillators (1) angeschlossen ist, und daß eine Schaltungseinheit (13) zur Steuerung der Sendefrequenz des Sendeoszillators (1) und des Empfangsoszillators (2) vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendeoszillator (1) folgende Baueinheiten enthält:
  • - einen spannungsgesteuerten Hilfsoszillator (100), der ein Hochfrequenzsignal abgibt,
  • - eine erste Frequenzteilerschaltung (101) und eine Frequenzmultiplizierschaltung (102), die beide das vom Hilfsoszillator (100) gelieferte Hochfrequenzsignal empfangen, wobei die erste Frequenzteilerschaltung (101) und die Frequenzmultiplizierschaltung (102) Signale mit Frequenzen mit dem Verhältnis 1/N 0 bzw. R 0 bezüglich der Frequenz des Hochfrequenzsignals liefern,
  • - einen ersten Hilfsmischer (103), der das von der Frequenzmultiplizierschaltung (102) gelieferte Signal empfängt, sowie einen zweiten Hilfsmischer (104), der das von der ersten Frequenzteilerschaltung (101) gelieferte Signal empfängt,
  • - eine zweite Frequenzteilerschaltung (105), die ein Signal mit einem Verhältnis 1/n 0 liefert und den Ausgang des ersten Hilfsmischers (103) mit einem Eingang des zweiten Hilfsmischers (104) verbindet und
  • - einen spannungsgesteuerten Höchstfrequenzoszillator (107), dessen Steuereingang über einen Verstärker (106) mit dem Ausgang des zweiten Hilfsmischers (104) verbunden ist und dessen Ausgang das Höchstfrequenz-Radarsendesignal an den Radar-Sende-Empfangsschalter (9) und an einen zweiten Eingang (103) des Hilfsmischers liefert.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsoszillator (2) folgende Baueinheiten enthält:
  • - einen Pilotoszillator (200), der ein Hochfrequenzsignal mit fester Frequenz liefert,
  • - eine erste Frequenzteilerschaltung (201) und eine Frequenzmultiplizierschaltung (202), die beide das vom Pilotoszillator (200) gelieferte Hochfrequenzsignal empfangen, wobei die erste Frequenzteilerschaltung (201) und die Frequenzmultiplizierschaltung (202) Signale mit Frequenzen mit dem Verhältnis 1/N 1 bzw. R 1 bezüglich der Frequenz des vom Pilotoszillator (200) gelieferten Hochfrequenzsignals liefern,
  • - einen ersten Hilfsmischer (203), der das von der Frequenzmultiplizierschaltung (202) gelieferte Signal empfängt, sowie einen zweiten Hilfsmischer (204), der das von der ersten Frequenzteilerschaltung (201) gelieferte Signal empfängt,
  • - eine zweite Frequenzteilerschaltung (205), die ein Signal mit dem Verhältnis 1/n 1 liefert und den Ausgang des ersten Hilfsmischers (203) mit einem Eingang des zweiten Hilfsmischers (204) verbindet, und
  • - einen spannungsgesteuerten Höchstfrequenzoszillator (207), dessen Steuereingang über einen Verstärker (206) mit dem Ausgang des zweiten Hilfsmischers (204) verbunden ist, dessen Ausgang im Betriebszustand das Höchstfrequenzsignal zum Umsetzen der Echosignale an den ersten Mischer (A) und an den ersten Hilfsmischer (203) liefert.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Verhältnisse R 0, R 1, N 0, N 1, n 0, n 1 folgende Beziehung erfüllen: worin sind: F₀ die momentane Sendefrequenz des spannungsgesteuerten Hilfsoszillators (100) des Sendeoszillators (1),Vdie relative Radialgeschwindigkeit zwischen Radargerät und Ziel,Cdie Lichtgeschwindigkeit im freien Raum,F 1die Sendefrequenz des Pilotoszillators (200) des Empfangsoszillators (2) und Keine beliebige Konstante.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gleichung folgendes gilt: N 0= N 1 R 0-R 1= KR und n 0-n 1= KN,wobei KR und KN zwei beliebige Konstanten sind.
6. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteilerschaltungen (101, 105, 201, 205) von Kippschaltungen gebildet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmultiplizierschaltungen (102, 202) von Frequenzmultiplizierstufen mit Halbleiterbauelementen gebildet sind.
DE3033242A 1979-09-07 1980-09-04 Sende-Empfangs-Anordnung fuer ein Doppler-Radargeraet mit schnell veraenderlicher Frequenz Expired DE3033242C1 (de)

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