DE3342698A1

DE3342698A1 - Elektronisch phasengesteuerte gruppenantenne

Info

Publication number: DE3342698A1
Application number: DE19833342698
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. 8136 Wangen Brunner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-11-25
Filing date: 1983-11-25
Publication date: 1985-06-05
Also published as: EP0144867B1; EP0144867A2; DE3485340D1; EP0144867A3

Description

Siemens Aktiengesellschaft ^V3 - Unser Zeichen Berlin und München VPA 83 P 1 9 O 5 DE

Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne

Die Erfindung "bezieht sich auf eine elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne mit in horizontalen Zeilen und in vertikalen Spalten angeordneten Strahlerelementen, die zur Erzeugung einer einstellbaren Hauptstrahlauslenkung über einstellbar ausgebildete, digitale Phasenschieber gespeist werden, wobei jeweils ein Phasenschieber einem oder mehreren der Strahlerelemente zugeordnet ist.

Jedes einzelne Strahlerelement einer phasengesteuerten Gruppenantenne wird in der Regel über einen eigenen Phasenschieber gespeist. Zum Zwecke der Kostenreduzierung können jedoch auch mehrere Strahler zugleich von einem Phasenschieber angesteuert werden. Da die üblichen Phasenschieber eine digitale Wirkungsweise aufweisen, d.h. nur Phasenwerte von beispielsweise k . 45° (3 bit), k . 22,5° (4 bit) usw. einstellen können, entstehen neben der gewünschten Phasenprogression über der Antennenapertur sogenannte Quantisierungsfehler, die zu einer Erhöhung des Nebenzipfelpegels im Antennendiagramm führen. Für den Fall der Einsparung von Phasenschiebern, z.B. wenn zwei benachbarte Strahlerelemente von einem einzigen Phasenschieber bedient werden und damit gleichphasig sind, entstehen große Phasensprünge in einem weiteren Abstand, z.B. dem doppelten Strahlerelementabstand. Diese Phasensprünge bei großen Abständen erzeugen Nebenzipfel in Form von sogenannten Rasterkeulen

VL 1 Mai /22.11.83 7 Ausfertigungen

Jj. Ausfertigung

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(Grating Lobes), die sich tiei größeren Aus lenkwinke In der Hauptkeule als sekundäre Hauptkeulen auswirken.

Die üblichen Anordnungen der Strahlerelemente phasengesteuerter Gruppenantennen beruhen auf einem Rechteck- oder Dreieckgitter. Die dadurch verursachten geschilderten Nebenzipfeleffekte werden dabei nicht vermindert. Eine bekannte Methode zur Reduzierung der Quantisierungssprünge und damit der störenden Nebenzipfel besteht in der Einfügung einer konstanten Phasenverschiebung im Zuführungsweg zu jedem Strahlerelement. Der zusätzlich eingefügte Phasenwert unterscheidet sich von Strahlerelement zu Strahlerelement um Beträge, die zu der Bitgröße in keinem Verhältnis stehen. Diese addierte Phasenverschiebung wird dann im Steuerweg zu den Phasenschiebern wieder subtrahiert. Diese Methode ist jedoch nur bei leitungsgespeisten phasengesteuerten Gruppenantennen möglich. Bei optisch gespeisten phasengesteuerten Gruppenantennen kann eine Reduzierung der Quentisierungssprünge nur durch aufwendigere, feiner gestufte Phasenschieber mit höherer Bit-Zahl erzielt werden. Die Bedienung zweier oder noch mehr Strahler durch einen Phasenschieber und damit eine Kostenreduzierung ist dabei nur für sehr kleine Auslenkwinkel möglich, d.h. für die meisten praktischen Fälle nicht anwendbar. In diesem Zusammenhang wird auf das Buch von M. Skolnik "Introduction to Radar Systems", Mac Graw-Hill International Book Comp., 1981, Seiten 321 und 322, hingewiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, für elektronisch phasengesteuerte Gruppenantennen der eingangs genannten Art eine weniger aufwendige Möglichkeit zur Verringerung

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oder gar Vermeidung der erwähnten Quantisierungsfehler anzugeben, so daß sich als Folge davon ein erheblich besseres Nebenzipfelverhalten der Antenne ergibt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Verbesserung des Horizontaldiagramms die Strahlerelement-Zeilen in Horizontalrichtung statistisch gegeneinander verschoben sind, so daß die gedachten Verbindungslinien zwischen den jeweils der Reihe nach von oben nach unten untereinander liegenden Strahlerelementen nicht mehr vertikale Spaltenlinien, sondern statistisch verlaufende, unregelmäßige Zick-Zack-Linien sind, und daß an den einzelnen Zeilen jeweils eine Phasenkorrektur für alle sich .15 in der jeweiligen Zeile befindenden Strahlerelemente derart vorgenommen ist, daß sich die Signale der einzelnen Zeilen in der jeweiligen ausgelenkten HauptStrahlrichtung addieren. Zur Verbesserung des Vertikaldiagramms werden gemäß der Erfindung die Strahlerelement-Spalten in Vertikalrichtung statistisch gegeneinander verschoben, so daß die gedachten Verbindungslinien zwischen den jeweils der Reihe nach von links nach rechts nebeneinander liegenden Strahlerelementen nicht mehr horizontale Zeilenlinien, sondern statistisch verlaufende, unregelmäßige Zick-Zack-Linien sind. Außerdem wird hierbei an den einzelnen Spalten jeweils eine Phasenkorrektur für alle sich in der jeweiligen Spalte befindenden Strahlerelemente derart vorgenommen, daß sich die Signale der einzelnen Spalten in der jeweiligen ausgelenkten Hauptstrahlrichtung addieren.

Die systematische Addition der von den einzelnen Strahlerelementen herrührenden Strahlungsanteile im

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Quantisierungs- -und Rasterkeulen-Bereich wird somit in der vertikalen Ebene durch eine statistische Verschiebung der Spalten gegeneinander und/oder in der horizontalen Ebene durch eine statistische Verschiebung der Zeilen gegeneinander verhindert. Dabei muß an den einzelnen Spalten bzw. Zeilen eine Phasenkorrektur derart eingeführt werden, daß sich die Signale der einzelnen Spalten bzw. Zeilen in der jeweiligen ausgelenkten HauptStrahlrichtung addieren. Die Korrektur in einer Spalte bzw. Zeile ist abhängig von ihrem jeweiligen Versatz und wird für die weit von der Hauptstrahlrichtung entfernte Rasterkeulen-Richtung praktisch unwirksam, so daß sich die Signale in dieser Richtung mit statistischen Phasen überlagern und sich damit weitgehend auslöschen. Die Phasenkorrektur an der Spalte bzw. Zeile kann einfach in einem Rechner eingestellt werden. Der statistische Versatz der Spalten bzw. Zeilen muß so groß gewählt sein, daß die sich überlagernden Rasterkeulen-Phasen der Spalten- bzw. Zeilensignale für den betrachtenden Rasterkeulen-Winkel alle Werte zwischen 0° und 360° oder darüber hinaus annehmen können.

Die Unterdrückung der Quantisierungs- und Rasterkeulen-Nebenzipfel kann - wie bereits erwähnt - in beiden Ebenen durchgeführt werden. Die statistische vertikale Verschiebung der Spalten macht die Zeilen zu einer statistischen Zick-Zack-Linie und verbessert das Vertikaldiagramm. Die statistische horizontale Verschiebung der Zeilen macht die Spalten zu statistischen Zick-Zack-Linien und verbessert das Horizontaldiagramm. Prinzipiell kann auch nach einer Spalten- bzw. Zeilenverschiebung die zick-zack-förmige Zeile bzw. Spalte zusätzlich in der vertikalen bzw.

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horizontalen Ebene statistisch verschoben werden. Dadurch werden die Nebenzipfel in beiden Ebenen reduziert. Allerdings ist das dann ganz unregelmäßige Strahlerelementeraster konstruktiv schwieriger realisierbar und damit kostenaufwendiger.

Als Hauptanwendungsfall läßt sich die Verbesserung in einer Ebene ansehen, z.B. bei der vollen Phasenschieberzahl in der horizontalen Ebene zur Reduzierung der Quantisierungsnebenzipfel, oder z.B. bei der halben Phasenschieberanzahl, wobei jeweils zwei übereinander liegende Strahlerelemente von einem einzigen Phasenschieber bedient werden, zur Reduzierung der Rasterkeulen in der vertikalen Ebene.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von 10 Figuren erläutert. Es zeigen

Fig. 1 verschiedene . Strahlerelemente-Anordnungen in der Apertur einer phasengesteuerten Gruppenantenne,

Fig. 2 bis 4 Strahlerelemente in einer Rechteckanordnung mit identischen Spalten, in einer Dreiecksanordnung mit zweierlei Spalten und in einer beliebigen Anordnung mit statistisch verschobenen Spalten, wobei jeweils links davon die Phasenbelegung dargestellt ist, Fig. 5 bis 10 Richtdxagrammbeispiele einer regelmäßigen Dreiecks-Anordnung bei einer Hauptstrahlauslenkung von 0° (Fig. 5), von 10° (Fig. 7) und 20° (Fig. 9) im Vergleich mit einer Strahlerelemente-Anordnung, deren Spalten zueinander statistisch verschoben sind, bei entsprechenden Hauptstrahlauslenkungen (Fig. 6, 8, 10).

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Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht die ovale Apertur einer phasengesteuerten Gruppenantenne. In vier Bereichen 2, 3, 4 und 5 sind vier mögliche Anordnungen von Strahlerelementen 6 in der Antennenapertur 1 dargestellt. Im Abschnitt 2 der Apertur 1 sind die Strahlerelemente 6 in einem sogenannten Rechteckgitter angeordnet. Im Abschnitt 3 der Antennenapertur 1 befinden sich die Strahlerelemente 6 in einer regelmäßigen Dreiecks-Gitterkonfiguration. Die in den Abschnitten 2 und 3 dargestellten Anordnungen der Strahlerelemente 6 sind diejenigen, die bei phasengesteuerten Gruppenantennen üblich sind. Die Dreiecksanordnung entsprechend dem Abschnitt 3 bringt bei Halbierung der Phasenschieberzahl kaum eine Reduzierung der Rasterkeulen. Die systematische Addition der von den einzelnen Strahlerelementen 6 herrührenden Strahlungsanteile im Quantisierungs- und Rasterkeulenbereich wird in der vertikalen Ebene durch eine statistische Verschiebung der Spalten gegeneinander verhindert, so wie dies im Abschnitt 4 der Strahlungsapertur 1 der Fall ist. Die statistische vertikale Verschiebung der Spalten macht die Zeilen zu statistisch verlaufenden, unregelmäßigen Zick-Zack-Linien 7 und verbessert das Vertikaldiagramm. In der Horizontalebene wird die systematische Addition der von den einzelnen Strahlerelementen 6 herrührenden Strahlungsanteile im Quantisierungs- und Rasterkeulen-Bereich durch eine statistische Verschiebung der Zeilen gegeneinander verhindert, so wie dies im Abschnitt 5 der Antennenapertur 1 der Fall ist. Die statistische horizontale Verschiebung der Zeilen macht die Spalten zu statistisch verlaufenden, unregelmäßigen Zick-Zack-Linien 8 und verbessert das Horizontaldiagramm. An den einzelnen Spalten bzw. Zeilen muß eine Phasen-

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korrektur derart eingeführt werden, daß sich die Signale der einzelnen Spalten (Abschnitt 4) bzw. Zeilen (Abschnitt 5) in der jeweiligen ausgelenkten Hauptstrahlrichtung addieren. Die Korrektur in einer Spalte bzw. Zeile ist abhängig von ihrem jeweiligen Versatz und ist für die weit von der Hauptstrahlrichtung entfernte Rasterkeulen-Richtung praktisch unwirksam, so daß sich die Signale in dieser Richtung mit statistischen Phasen überlagern und sich damit weitgehend auslöschen. Der statistische Versatz der Spalten (Abschnitt 4) bzw. Zeilen (Abschnitt 5) muß dabei so groß sein, daß die sich überlagernden Rasterkeulen-Phasen der Spalten- bzw. Zeilensignale für den betrachteten Rasterkeulen-Winkel alle Werte zwischen 0° und 360° oder darüber hinaus annehmen können.

Fig. 2 zeigt Strahlerelemente 6 in einer Rechteckgitteranordnung. Dies bedeutet, daß alle Spalten S^ bis S von links nach rechts identisch sind. Die Phasenbelegung einer solchen Rechteckgitteranordnung bei Ansteuerung von zwei übereinander liegenden Strahlerelementen durch einen Phasenschieber ist in Fig. 2 links dargestellt. Daraus ist zu entnehmen, daß die Phasenstufen der Spalten S^ bis S bei der Rechteckgitteranordnung für alle Spalten an derselben Stelle auftreten.

Fig. 3 zeigt die Strahlerelemente 6 einer phasengesteuerten Gruppenantenne in einer Dreiecksgitteranordnung. Es sind somit zweierlei Spaltenarten vorhanden, die sich jeweils abwechseln, d.h. die Spalten S^, S^t, S[- ... sind in sich gleich und ebenso in sich die Spalten Sp, S., ... . Auch in Fig. 3 ist links von der Strahlerelementeanordnung eine Phasenbelegung

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dargestellt. Daraus geht hervor, daß die Phasenstufen bei der Dreiecksgitteranordnung an zwei festen Stellen auftreten. Die Phasensprünge für die geradzahligen Spalten Sp, S», ... sind mit durchgezogenen Horizontallinien dargestellt, wogegen die Phasensprünge für die ungeradzahligen Spalten S^, S,, S₁-, ... gestrichelt sind.

Fig. 4 zeigt die Strahlerelemente 6 einer phasengesteuerten Gruppenantenne in einer Gitteranordnung, in welcher die Spalten zueinander in vertikaler Richtung statistisch verschoben sind. Auch hier ist links von der Strahlerelementeanordnung die Phasenbelegung für die verschiedenen Spalten dargestellt. Es geht daraus hervor, daß die Phasenstufen der Spalten S-, bis S_n nicht wie bei der Rechteckgitteranordnung nach Fig. für alle Spalten an derselben Stelle.oder wie bei der Dreiecksgitteranordnung nach Fig. 3 an zwei festen Stellen auftreten. Vielmehr sind die Phasenstufen statistisch verteilt, so daß, über die Apertur gesehen, der stufenförmige Charakter der Phasenfront "aufgebrochen" ist und sich keine systematischen Additionen von Signalen im Nebenzipfelbereich ergeben. Die Phasenstufen für die Spalte S^ sind mit durchgezogenen Horizontallinien, für die Spalte Sp mit gestrichelten Horizontallinien, für die Spalte S-, mit eng gepunkteten Horizontallinien, für die Spalte S^ mit weiter auseinander gepunkteten Horizontallinien und für die Spalte S,- mit strichpunktierten Horizontallinien dargestellt.

Die Fig. 5 bis 10 zeigen Richtdiagramme in der vertikalen Ebene, die auf Berechnungsbeispielen zur Darstellung der Auswirkung der statistischen Spalten-

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verschiebung bei Speisung jeweils zweier übereinander liegender Strahlerelemente über einen einzigen Phasenschieber basieren. Verglichen werden die Richtdiagramme (Fig. 5j 7, 9) häufig verwendeter Dreiecksgitteranordnungen mit den Richtdiagrammen (Fig. 6, 8, 10) einer Gitteranordnung, in der die Spalten in Vertikalrichtung statistisch gegeneinander verschoben sind. Die Dreiecksgitteranordnung wird hierbei auch als repräsentativ für die Rechtecksgitteranordnung betrachtet, da deren nebenzipfelreduzierende Wirkung ähnlich gering ist.

Die gerechneten Anordnungen umfassen etwa 20 Spalten mit maximal 36 Strahlerelementen, d.h. 18 Phasenschieber pro Spalte. Zum horizontalen Rand hin werden die Spalten, entsprechend der ovalen Umrandung der Apertur nach Fig. 1 niedriger und damit die auf einer Spalte liegenden Strahlerelemente weniger. Das Prinzip und damit die Verbesserungsmöglichkeit ist jedoch unabhängig von der Aperturumrandung.

Fig. 5 und 6 zeigen untereinander zwei Antennen-Richtdiagramme bei einer Hauptstrahlauslenkung von 0°, wobei Fig. 5 für eine Dreiecksgitteranordnung und Fig. 6 für die Strahlerelementeanordnung mit statistischer Spaltenverschiebung gilt. Fig. 7 und 8 zeigen ebenfalls untereinander Richtdiagramme, allerdings bei einer Hauptstrahlauslenkung von 10 , wobei Fig. 7 eine Strahlerelementeanordnung in einer regelmäßigen Dreiecksgitterkonfiguration und Fig. 8 eine solche mit statistischer Spaltenverschiebung betrifft. Fig. 9 und 10 zeigen schließlich untereinander Richtdiagramme bei einer HauptStrahlauslenkung von 20 , wobei sich Fig. 9 auf die Dreiecksgitteranordnung und Fig.

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auf die Strahlerelementeanordnung mit statistischer Spaltenverschiebung bezieht. Die Figuren 5 "bis 10 zeigen, daß bei der regelmäßigen Dreiecksgitteranordnung im hauptstrahlrichtungsfernen Bereich bei einer Hauptstrahlauslenkung, für welche die großen Phasensprünge zwischen dem gleichphasigen Strahierelementepaar und ihren Nachbarn notwendig sind, große Rasterkeulen entstehen, die bei größeren Auslenkwinkeln die Höhe der Hauptkeule erreichen. Durch die statistische Verschiebung werden diese großen Nebenzipfel des hauptstrahlrichtungsfernen Bereichs um etwa 15 dB reduziert. Die Nebenzipfel im hauptstrahlrichtungsnahen Bereich werden zum Teil geringfügig reduziert und bleiben im Bereich um - 30 dB. Die nebenzipfelreduzierende Wirkung steigt mit der Spaltenzahl.

Die Wirkung läßt sich somit folgendermaßen zusammenfassen. Aus den angeführten Ergebnissen geht hervor, daß die hohen Nebenzipfel bei AuslenkwinkeIn, die von der wirtschaftlichen Maßnahme einer Phasenschieberhalbierung, d.h. ein Phasenschieber bedient jeweils zwei übereinander liegende Strahlerelemente, verursacht werden, durch die statistische Spaltenverschiebung beispielsweise innerhalb eines Auslenkbereiches von - 30° vermieden werden können. Dieser Auslenkbereich in der vertikalen Ebene ist für die meisten Anwendungen ausreichend, da eine Abtastung unterhalb des Horizonts und im Zenitbereich ohnehin nicht sinnvoll ist. In der horizontalen Ebene, für welche die Forderung nach niedrigen Nebenzipfeln aus ECCM (Electronic Counter Conter Measure = Elektronische Gegengegenmaßnahme)-Gründen eine noch größere Bedeutung hat, sollte eine Ansteuerung zweier nebeneinander liegender Strahler durch nur einen Phasenschieber

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nicht vorgenommen werden. Durch statistische Verschiebung der voll mit Phasenschiebern belegten Zeilen kann jedoch auch der durch die Quantisierungsstufen von Strahlerelement zu Strahlerelement verursachte Nebenzipfelpegel reduziert werden.

3 Patentansprüche
1 ο Figuren

- Leerseite -

Claims

-vi- VPA 83 P 1 9 O 5 DE Patentansprü ehe

1. Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne mit in horizontalen Zeilen und in vertikalen Spalten angeordneten Strahlerelementen, die zur Erzeugung einer einstellbaren Hauptstrahlauslenkung über einstellbar ausgebildete, digitale Phasenschieber gespeist werden, wobei jeweils ein Phasenschieber einem oder mehreren der Strahierelemente zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Horizontaldiagramms die Strahlerelement-Zeilen in Horizontalrichtung statistisch gegeneinander verschoben sind, so daß die gedachten Verbindungslinien zwischen den jeweils der Reihe nach von oben nach unten untereinander liegenden Strahlerelementen (6) nicht mehr vertikale Spaltenlinien, sondern statistisch verlaufende, unregelmäßige Zick-Zack-Linien (8) sind, und daß an den einzelnen Zeilen jeweils eine Phasenkorrektur für alle sich in der jeweiligen Zeile befindenden Strahlerelemente derart vorgenommen ist, daß sich die Signale der einzelnen Zeilen in der jeweiligen ausgelenkten HauptStrahlrichtung addieren.

2. Elektronisch phasengesteuerte Gruppenantenne mit in horizontalen Zeilen und in vertikalen Spalten angeordneten Strahlerelementen, die zur Erzeugung einer einstellbaren HauptStrahlauslenkung über einstellbar ausgebildete, digitale Phasenschieber gespeist werden, wobei jeweils ein Phasenschieber einem oder mehreren der Strahlerelemente zugeordnet ist, dadurch, gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Vertikaldiagramms die Strahlerelement-Spalten in Vertikalrichtung statistisch gegeneinander verschoben sind, so daß die gedachten

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Verbindungslinien zwischen den jeweils der Reihe nach von links nach rechts nebeneinander liegenden Strahlerelementen (6) nicht mehr horizonatle Zeilenlinien, sondern statistisch verlaufende, unregelmäßige Zick-Zack-Linien sind (7), und daß an den einzelnen Spalten jeweils eine Phasenkorrektur für alle sich in der jeweiligen Spalte befindenden Strahlerelemente derart vorgenommen ist, daß sich die Signale der einzelnen Spalten in der jeweiligen ausgelenkten Hauptstrahlrichtung addieren.

3. Gruppenantenne nach den Ansprüchen 1 und 2, g e kennzeichne t durch die Kombination der in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Maßnahmen.