DE3307551A1

DE3307551A1 - Impulsbetriebene sende-empfangseinheit fuer hochfrequenz, insbesondere im bereich von 94 ghz

Info

Publication number: DE3307551A1
Application number: DE19833307551
Authority: DE
Inventors: Isaac E Kliger; Robert A Phaneuf
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1982-03-03
Filing date: 1983-03-03
Publication date: 1983-10-06
Also published as: IT8347834A0; GB8305682D0; FR2522827A1; GB2116392B; US4470049A; GB2116392A; CA1197558A

Description

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I ■ . ■ München, den 3. März 1983 /J

Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 333

¹ Ro_<-.hon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, 'Vereinigte Staaten von Amerika

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'Impulsbetriebene Sende-Empfangseinheit für Hochfrequenz, insbesondere im Bereich von 94 GHz.

Die Erfindung betrifft allgemein impulsbetriebene Sender und Empfänger für Hochfrequenzsignale und insbesondere eine impuls-. betriebene Sende-Empfangseinheit zur Verwendung bei Frequenzen oberhalb von 90 GHz.

In den letzten Jahren haben es Entwicklungsfortschritte auf dem Gebiet der Festkörperbauelemente möglich gemacht, den Hochfrequenzbandbereich um etwa 94 GHz auszunützen. Aus diesem Grunde wurden intensive Anstrengungen unternommen, Radarsysteme zu entwickeln, welche bei etwa 94 GHz arbeiten und welche in Fällen zur Anwendung kommen, bei denen der Raumbedarf ein ausschlaggebener Gesichtspunkt ist, etwa bei lenkbaren Flugkörpern und Geschossen, In solchen Anwendungsfällen können verhältnismäßig ¹ leichte und kleine Bauelemente, etwa in Gestalt von Antennen I und Speiseschaltungen, verwendet werden, welche bezüglich ihrer ; Qualitäten optischen Systemen nahekommen.

! Bisher wurde jedoch die Entwicklung eines aktiven Radarsystems : zur Verwendung bei 94 GHz durch das Fehlen geeigneter Sende-/ .' Empfangsschalter gehindert. Dieser Mangel führte bisher zu der Notwendigkeit, gesonderte Antennen für den Sender und den Empfän-

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ι ger vorzusehen. Eine solche Forderung ist offensichtlich von , außerordentlichem Schaden, wenn das betreffende System bei-

spielsweise in einem Lenkflugkörper eingesetzt werden soll.

Weiter ist es auf diesem Gebiet der Technik bekannt, daß im ¹ Falle eines Dopplerpulsradars der erste Lokaloszillator im ! Empfänger so ausgebildet sein muß- daß er einen bekannten Frequenzversatz gegenüber der Frequenz jedes ausgesendeten Impulj ses einhält. Das bedeutet.- daß die Kohärenz zwischen den ausge-' sendeten und den empfangenen Signalen eingehalten werden muß, um eine Dopplerverschiebung feststellen zu können.

j Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine impuls-

j betriebene Sende-Empfangseinheit für Hochfrequenz, insbesondere ' im Bereich von 94 GHz, so auszugestalten, daß ein Radarsystem , verwirklicht werden kann, das in diesem Frequenzbereich mit ei-

¹ ner einzigen Antenne für den Sender und den Empfänger ausqerü- ! stet werden kann.

I Ferner soll in einem Dopplerpulsradar, welches bei 94 GHz arbei-, tet, die Kohärenz zwischen den Sendesignalen und den Empfangs- ! Signalen aufrecht erhalten werden.

, Diese Aufgabe wird durch die im anliegenden Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine zweckmäßige Ausgestaltung ist in Anspruch 2 angegeben.

Allgemein ist festzustellen, daß in einem aktiven Impulsradarsystem mit den hier angegebenen Merkmalen eine einzige Antenne für die Sendung und den Empfang vorgesehen ist, daß weiter ein Hauptoszillator einen ersten Lokaloszillator im Empfänger des Radarsystems und einen injektionsgesteuerten, impulsbetriebenen Oszillator des Senders steuert. Die erforderliche Kohärenz zwisehen dem ersten Lokaloszillator und dem injektionsgesteuerten, impulsbetriebenen Oszillator des Senders wird dadurch aufrecht erhalten, daß jeder dieser Oszillatoren in einer Phasenführungs-

schleife zur phasenstarren Steuerung liegt, so daß die Frequenz in jedem der soeben genannten Oszillatoren durch den Hauptoszilla-j tor gesteuert wird.

Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung ei-"es Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung,- in der ein Schaltt.lo eines Impulsradarsystems mit seinen wichtigsten Bauteilen
in 3locksymbolen dargestellt ist.

Es sei noch vorausgeschickt, daß bekannte Festkörperoszillatoren, die bei einer Frequenz von etwa 94 GHz arbeiten, nicht das notwendige Maß von Kohärenz für die Verwendung in einem Impulsdopplerradarsystem aufweisen. In einem derartigen Anwendungsfall
wird die Kohärenz der Dopplerimpulse normalerweise durch Injektionssteuerung oder -führung eines IMPATT-Oszillators mit einer kontinuierlichen kohärenten Schwingung oder einem CW-Signal erreicht. Unglücklicherweise sind jedoch für die Verwendung im
Frequenzbandbereich von 94 GHz nur einstufige IMPATT-Oszillatoren verfügbar. Um daher am Ausgang derartiger Geräte (durch Injektion geführter IMPATT-Oszillator 11 nach der Zeichnung) eine hohe Leistung zu verwirklichen, muß die Leistung am Ausgang
eines CW-IMPATT-Oszillators 13 in der Größenordnung von 15 dB
bis 20 dB unterhalb der Scheitelleistung des durch Injektion
geführten IMPATT-Oszillators 11 liegen. Es ist wiederum ungünstigerweise keine bekannte Baueinheit verfügbar, welche bei
94 GHz arbeitet und effektiv einen Empfänger von dem Sender in
der Weise trennen kann, wie dies bei herkömmlichen Sende-/
Empfangsschaltern der Fall ist, welche bei niedrigeren Frequenzen arbeiten. Um also den Monopulsempfanger 15, welcher in der
Zeichnung gezeigt ist, von dem verhältnismäßig hohe Leistung
aufweisenden Ausgang des CW-IMPATT-Oszillators 13 zu isolieren, wird dieser Oszillator während des größten Teils jeder Empfangsphase ausgeschaltet. Da IMPATT-Dioden gegenüber Temperaturänderungen sehr empfindlich sind, muß jede Phasenführungsschleife (PLL), welche den CW-IMPATT-Oszillator 13 steuert, zur Vermeidung unannehmbarer Frequenzänderungen zyklische Temperaturände-

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rungen kompensieren, welche jedesmal dann auftreten, wenn ein Oszillator eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. Wenn die PuIs-Wiederholungsfrequenz in dem betreffenden System hoch ist, bei-J spielsweise 25 KHz, so muß die Phasenführungsschleife ein kohä-, rentes Wiedereinrasten des CW-IMPATT-Oszillators 13 mit dieser Geschwindigkeit ermöglichen.

Ein Hauptoszillator 17 steuert die Frequenzen sowohl eines GUNN-Oszillators 19, der hier das erste Lokaloszillatorsignal für den Monopulsempfanger 15 erzeugt, sowie den CW-IMPATT-Oszillator 13. Letzterer ist ein kristallgesteuerter Oszillator, der mit einer Frequenz von f_o = 104.166 MHz arbeitet. Er erzeugt

: ein Bezugssignal und liefert dieses an ein Paar von Phasendetektc

ren 21 und 23. Außerdem gibt der Hauptoszillator sein Signal an

■ einen Eingang eines Frequenzvervielfachers 25 ab, welcher ausgangsseitig ein Signal mit der Frequenz Nf₀ darbietet. Vorlie-' gend gilt N = 60. Die Phasendetektoren 21 und 23 arbeiten vorzugsweise so, daß sie ein Korrektursignal erzeugen, welches bei Zuführung zu einem Oszillator (vorliegend dem GUNN-Osζillator 19 oder dem CW-IMPATT-Osζillator 13) praktisch den betreffenden Oszillator bei der geeigneten Frequenz auf den Hauptoszillator 17 festlegt, so daß während des Empfangs ein gewünschtes Zwischenfrequenzsignal erhalten wird. Das Ausgangssignal von dem Frequenzvervielfacher 25, welches vorliegend eine Frequenz von 6250 GHz aufweist, wird durch einen Leistungsaufteiler 27 geführt, wo das betreffende Signal aufgeteilt wird und dann als Bezugssignal oder Lokaloszillatorsignal ein Paar von harmonischen Mischern 29 und 31 erreicht, wo die 15. Harmonische (93.750 GHz) mit dem jeweils zweiten Eingang verglichen wird. Das zweite Eingangssignal zu dem harmonischen Mischer 29, welches hier eine Frequenz von NMf_Q + f hat, wird von dem GUNN-Oszillator 19 über einen Richtungskoppler 33 zugeführt, wobei in dem vorgenannten Ausdruck M = 15 ist. Der harmonische Mischer 29 setzt das eingegebene Signal der Frequenz NMf₀ + f_o nach abwärts um, so daß ein Ausgangssignal der Frequenz f_Q erhalten wird, das als zweites Eingangssignal zu dem Phasendetektor 21 gelangt. Das Fehler-Ausgangssignal des Phasendetek-

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j tors 21 bildet ein Frequenzsteuersignal, welches dem GUNN-Os- ; j zillator 19 zugeführt wird, so daß sich die nicht näher bezeichnete Phasenführungsschleife schließt, so daß interne Phasenstö- j ' rungen des GUNN-Oszillators 19 herausgeregelt werden.

Das zweite Eingangssignal zu dem harmonischen Mischer 31 be- j

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s'tz- eine Frequenz von NMf₀ - f_Q und wird von dem CW-IMPATT- ^: \ Oszillator 13 über einen Richtungskoppler 35 erhalten. Der har- '· monische Mischer 31 setzt das eingegebene Signal mit der Fre- \ quenz NMf₀ - f_o nach abwärts um und liefert ein Ausgangssignal ' bei der Frequenz f_o, das in den Phasendetektor 23 eingespeist ^! wird. Das Fehlerausgangssignal des Phasendetektors 23 wird über ^: ein Schaltelement 37 geführt und dient als Frequenzsteuersignal ' für den CW-IMPATT-Oszillator 13. Die mit Vorstehendem beschriebene, jedoch nicht näher bezeichnete Phasenführungsschleife bewirkt einerseits eine Steuerung der Frequenz des CW-IMPATT-Os- ' zillators 13, sowie ein Herausregeln der internen Phasenstörungen im letztgenannten Oszillator. Auch haben die nicht näher
bezeichneten Phasenführungsschleifen (PLL) die Wirkung, eine
festen Phasenabstand von 2 f_o oder in dem vorliegenden Beispiel von 208.332 MHz, zwischen der Frequenz des GUNN-Oszillators 19 und des CW-IMPATT-Oszillators 13 aufrecht zu erhalten. ;

Um die oben erwähnte, erforderliche Scheitelleistung vom Ausgang des injektionsgesteuerten IMPATT-Oszillators 11 zu erhalten,· muß die Ausgangsleistung des CW-IMPATT-Oszillators 13 in
der Größenordnung von 120 Milliwatt liegen. Um ein Durchdringen eines Signales solcher Leistung während der Empfangsphase ; über einen Zirkulator 36 zu dem Empfänger 15 zu verhindern,
wird der CW-IMPATT-Oszillator 13 unmittelbar nach Aussendung
jeweils eines Impulses von dem durch Injektion starr geführten
IMPATT-Oszillator 11 abgeschaltet. Vor der Aussendung des nach- ' sten Impulses schaltet eine Steuereinrichtung 39 den Schalter
37 ein, wodurch der CW-IMPATT-Oszillator 13 annähernd 200 ns
vor der Aussendung des Impulses eingeschaltet wird, so daß der
Oszillator 13 auf die Phase des Hauptoszillators 17 einrasten

Vann, bevor der nächste Sendeimpuls erzeugt wird. Die Steuereinrichtung 39 aktiviert auch den Modulator 41 annähernd 140 ns nach Einschaltung des Schaltelementes 37, wodurch ein Sendeimpuls von dem durch Injektion gesteuerten IMPATT-Oszillator 11 erzeugt wird, der in der Phase auf das Ausgangssignal des CW-IMPATT-Oszillators 13 während der letzten 60 ns dieses Ausgangssignales eingerastet ist. Der Sendeimpuls gelanqt über den Zirkulator 36 zur Antenne 38.

; Innerhalb des Monopulsempfängers 15 werden die Radarechosignale auf eine erste Zwischenfrequenz von 208.332 MHz (dies ist 2 f_o) nach abwärts umgesetzt und werden dann in Quadratur demoduliert, so daß I- und Q-Basisbandsiqnale entstehen, welche in einem Analog-/Digitalumsetzer 43 digitalisiert werden, um aneinandergereihte Bereichsschaltsiqnale zu bilden. Die Bereichsschaltsignale werden dann in einer Siqnalverarbeitunqsschaltung 45 in herkömmlicher Weise einer raschen Fourier-Transformation unterzogen.

Claims

Patentansprüche

1 ./Impulsbetriebene Sende-Empfangseinheit für Hochfrequenz, insbesondere im Bereich von 94 GHz, in welcher ein vorbestimmter . ^equenzversatz zwischen der Frequenz der Sendeimpulse und

; der Frequenz eines Ldkaloszillators vorgesehen ist, gekenn-I zeichnet durch folgende Merkmale:

¹ a)! einen kristallgesteuerten Oszillator (17), welcher j ein Haupt-Steuersignal einer Frequenz f_o/2 unterhalb des vorgenannten Frequenzbereiches, insbesondere unterhalb von 94 GHz erzeugt;

b) einen Frequenzvervielfacher (25), der das Ausgangs- ^! signal des kristallgesteuerten Oszillators (17) aufnimmt und dessen Frequenz um einen Faktor N vervielfacht, so daß ein Signal fester Frequenz im X-Bandbereich erhalten wird;

I c) einen spannungsgesteuerten Lokaloszillator (19), wel- ! eher bei einer Nennfrequenz von (NM+l)f_o arbeitet, ; worin M ein Miltiplikator von beispielsweise 94/N ist; ! d) einen IMPATT-Oszillator (13), welcher bei einer Nennj frequenz von (NM-I)f arbeitet; ^; e) einen ersten harmonischen Mischer (29), welcher auf

einen Anteil des Ausgangssignales fester Frequenz i des Frequenzvervielfachers (25) und auf einen Anteil j des Ausgangssignales des spannungsgesteuerten Lokali Oszillators (19) anspricht und ein erstes Steuersignal ! der Nennfrequenz f_Q erzeugt;

j f) einen ersten Phasendetektor (21), der einerseits ein j Signal des kristallgesteuerten Oszillators (17) und

i andererseits das genannte erste Steuersignal auf-

^: nimmt und ein Korrektursignal für den spannungsge-

¹ steuerten Lokaloszillator (19) liefert, um dessen

• Frequenz exakt auf (NM+l)f_o einzustellen;

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g) einen zweiten harmonischen Mischer (31), der einen zweiten Teil des Ausgangssignales fester Frequenz des Frequenzvervielfachers (25) sowie einen ersten

I Teil des Ausgangssignales des IMPATT-Osζillators

ι (13) aufnimmt und ein zweites Steuersignal mit

ι einer Nennfrequenz von f_o darbietet-ι h) einen zweiten Phasendetektor (23), der einerseits I ein Ausgangesignal des kristallgesteuerten Oszillai tors (17) und andererseits das genannte zweite j Steuersignal erhält und ein Korrektursignal für den I IMPATT-Osζillator (13) bildet, um dessen Frequenz 1 exakt auf (NM-I)f_Q einzustellen und ; i) einen Leistungsoszillator (11), der durch Injektion eine starre Führung durch einen zweiten Teil des Ausgangssignales des IMPATT-Oszillators 13 erfährt, um ein Sendesignal zu erzeugen.
2. Sende-Empfangseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (37) zwischen dem zweiten Phasendetektor : (23) und dem IMPATT-Oszillator (13) vorgesehen sind, welche : eine periodische Betätigung dieses Oszillators bewirken, daß j ferner ein Modulator (41) eine periodische Betätigung des Leistungsoszillators (11) bewirkt und daß Steuereinrichtungen (39) zur Synchronenbetätigung der Schaltmittel (37) und des Modula- : tors (41) vorgesehen sind, um hochfrequente Ausgangs impulse

des Leistungsoszillators (11) mit einer Frequenz (NM-Df₀ zu ■ erzeugen.