DE3435583C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenes Mikrowellen-Netzwerk.

In vielen Gebieten der Datenübertragung wird angestrebt, die mittels einer Anordnung von Sensoren empfangenen Daten analog in einem für die folgende Datenverarbeitung günstigen Tranformationsnetzwerk umzuformen. Angewendet z. B. auf die Radartechnik ist es wünschenswert, die an einer Antennengruppe eintreffenden Mikrowellen- Signale mit sinusförmiger Trägerfrequenz mittels eines Mikrowellen-Netzwerkes nach diskreten Raumrichtungen zu ordnen. Durch Fourieranalyse der Signalverteilung über die einzelnen Antennen erhält man eine hinsichtlich des Signal/Rausch-Verhältnisses optimale, parallele Keulenbildung, welche auf zwei verschiedene Arten realisiert werden kann. Entweder man kompensiert zur Keulenbildung die unterschiedlichen Laufzeiten der Wellen bis zu den Sensoren durch Laufzeitglieder in dem Empfangsnetzwerk - diese Signalverarbeitung ist für Breitbandsignale zwingend notwendig - oder man subtrahiert aufgrund der sinusförmigen Trägerfrequenz (Schmalbandsignal) von den einzelnen Laufzeitgliedern Vielfache der Wellenlänge und erhält somit einen weitaus geringeren Schaltungsaufwand. Dadurch wird die Keulenbildung durch die "Fast Fourier Transformation" (FFT), welche durch die sogenannte Butler-Matrix realisiert wird, ermöglicht. Die Butler- Matrix ist aus dem Aufsatz von J. Butler und R. Lowe, "Beamforming matrix simplifies design of electronically scanned antennas", aus der Zeitschrift Electronic Design, Vol. 9, Seiten 170 bis 173, 12. April 1961 bekannt. Diese Transformation beschränkt sich auf Gruppenantennen, deren Einzelelemente in einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet sind. Sie führt zu Diagrammen der Form:

In dieser Gleichung bedeutet N die Elementanzahl, d den Abstand zwischen den Elementen, λ die Wellenlänge und Φ₀ die Fokussierungsrichtung.

Die Butler-Matrix stellt somit ein Netzwerk mit N Eingängen und N Ausgängen dar.

Liegen an den Eingängen die Signale Z₁ . . . Z _N an, so kann die parallele Keulenbildung durch die Matrixbeziehung

beschrieben werden. S(u₁) bis S(u _N ) stellen Ergebnisse von Summendiagrammen dar, deren Hauptkeulen in N diskrete Richtungen zeigen. Jedes Eingangssignal trägt somit mit seiner vollen Energie über das Verknüpfungsnetzwerk zu jedem Ausgangssignal bei.

Aus der Literatur, z. B. aus dem bereits zitierten Aufsatz von Butler und Lowe sowie aus dem Buch von R. C. Hansen: "Microwave Scanning Antennas" Vol. III, Academic Press INC., New York und London, 1966, Seiten 258 bis 263, ist der prinzipielle Aufbau der Netzwerkstruktur zu entnehmen. Das Netzwerk arbeitet reziprok, d. h. speist man ein Signal an einem Matrixausgang ein, so zeigt die Hauptkeule des Strahlungsdiagramms in die dem Ausgang zugeordnete Raumrichtung.

Die Anzahl der 3dB-Koppler bei N Eingängen und N Ausgängen beträgt N/2 log₂N, bei N = 8 also zwölf Koppler und bei N = 64 demgemäß 192 Koppler. Sehr wesentlich für den realen Aufbau einer Butler-Matrix ist die Anzahl der Überkreuzungen. Eine Matrix mit acht Ein- und Ausgängen enthält zehn Überkreuzungen. Die in Fig. 1 gezeigte und später noch im einzelnen beschriebene 64 × 64-Butler-Matrix besitzt 1328 Überkreuzungen. Die größte bisher bekannte Butler-Matrix in Streifenleitungstechnik weist 16 Eingänge und 16 Ausgänge auf und ist im "Tagungsband DGON 1983" von H. Brand und G. König im Aufsatz "Mikrowellen-Echtzeit-Abbildung durch Parallel-Signalverarbeitung mit einem 9 GHz-Leitungsnetzwerk", beschrieben. Das Problem der Überkreuzung wird jedoch hierbei teilweise durch Übergang auf Koaxialkabel und Kreuzung dieser Kabel gelöst. Diese Problemlösung führt bei einer höheren Anzahl von Eingängen und Ausgängen der Matrix zu unakzeptablen Verlusten. In der Hohlleitertechnik bringen die Überkreuzungen aufgrund der Kopplerstruktur keine Probleme. In dieser Technik wurde als höchste Dimension eine 32 × 32-Butler-Matrix hergestellt, die im Buch von W. T. Blackband: "Signal processing arrays", April 1968, Unwin Brothers Limited, Old Woking, Surrey, England, auf den Seiten 238 bis 254 beschrieben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine 64 Ein- und Ausgänge aufweisende Butler-Matrix zu schaffen, welche einen verhältnismäßig geringen und daher akzeptierbaren Gesamtverlust aufweist.

Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Mikrowellen-Netzwerk der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung liegt in erster Linie in der besonderen Auswahl von Unterstrukturen innerhalb dieses Netzwerkes, so daß die räumliche Realisierung in Streifenleitertechnik auch bei einer hohen Anzahl von Ein- und Ausgängen mit geringem Schaltungsaufwand und daher mit akzeptablem Dämpfungsverlust möglich ist.

Anhand von drei Figuren wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel einer 64 × 64-Butler-Matrix nach der Erfindung zur Erzeugung von 64 verschiedenen Antennendiagrammen erläutert, deren Hauptkeulen in 64 verschiedene Richtungen weisen. Es zeigt

Fig. 1 das Schema einer solchen Butler-Matrix im Schaltbild,

Fig. 2 ein Streifenleiter-Platinenpaar mit zwei zusammen arbeitenden 8 × 8-Untermatrizen als Unterstrukturen,

Fig. 3 den Gesamtaufbau einer 64 × 64-Butler-Matrix in Streifenleitertechnik nach der Erfindung in einer Schrägansicht.

In Fig. 1 ist das Schema einer 64 × 64-Matrix in einem Schaltbild dargestellt. An jedem von 64 regelmäßig in einer geraden Reihe angeordneten Einzelstrahlern St ist ein Eingang E der Butler-Matrix angeschlossen. Diese Matrix weist insgesamt sechs Reihen K 1 bis K 6 mit 3dB-Kopplern auf, die als kleine Kreise in Fig. 1 dargestellt sind. Jeder dieser Koppler besitzt vier Anschlüsse. Zwei Anschlüsse jedes Kopplers in der Reihe K 6 bilden jeweils die Ausgänge Z der Butler-Matrix. An den 64 Ausgängen Z lassen sich 64 verschiedene Richtungsdiagramme der linearen Gruppenantenne abnehmen, wobei die Hauptkeulen in 64 verschiedene Richtungen weisen können. Die Ausgänge sind jeweils mit einer Zahl und dem Buchstaben R (= rechts) oder L (= links) bezeichnet. Diese Buchstaben bzw. Zahlen kennzeichnen somit die Ausgänge des Netzwerkes, an denen die Richtungsdiagramme abgenommen werden, wobei die Zahlen jeweils angeben, welche Hauptkeule - ausgehend von einer senkrecht zur Strahlerreihe abgehenden Mittellinie - entweder links (L) oder rechts (R) von dieser Mittellinie angeregt ist. Am Ausgang R 1 steht somit z. B. die innerste rechte Hauptkeule und am Ausgang L 2 die zweitinnerste linke Hauptkeule an. Zwischen den Kopplern der verschiedenen Reihen K 1 bis K 6 sind bei der Butler- Matrix bekanntlich Phasenverschiebungen erforderlich. Diese Phasenverschiebungen sind in Fig. 1 an den jeweiligen Verbindungsleitungen zwischen den Kopplern durch Zahlen P angegeben, welche jeweils Vielfache der Phaseneinheit von 2,8125° angeben.

Da die Einzeldiagramme aufgrund der guten Richtwirkung der Koppler voneinander entkoppelt sind (orthogonale Keulen), liefert jedes Diagramm den vollen Gewinn der Gruppe, abzüglich der Verluste im Netzwerk.

Die eigentliche Erfindung liegt in der auf einen geringen Schaltungsaufwand und somit auf einen niedrigen Gesamtverlust abgezielten räumlichen Auslegung des in Fig. 1 schematisch dargestellten Mikrowellen-Netzwerkes, welches in dieser Art der Zusammenschaltung erheblich weniger Überkreuzungen benötigt, als in Fig. 1 tatsächlich gezeigt ist. Dazu wird das Netzwerk in zwei Teile A und B zerlegt. Jeder Teil A bzw. B besteht in sich jeweils aus acht identischen Unterstrukturen, welche jede für sich eine vollständige 8 × 8-Matrix mit acht Eingängen und acht Ausgängen darstellt. In Fig. 1 ist eine derartige 8 × 8-Butler-Matrix verstärkt gestrichelt ausgezeichnet. Acht solcher 8 × 8-Matrizen bilden unabhängig voneinander den Teil A des Gesamtnetzwerkes. Jede Einzelmatrix besitzt zehn Überkreuzungen. Würde man alle Koppler auf eine einzige Platine legen und die Leitungen durch koaxiale Übergänge auf eine Rückplatine überkreuzen, so hätte man bei einer 8 × 8-Matrix günstigstenfalls zwölf Übergänge von der Vorderplatine zur Rückplatine.

Ein Hauptteil der Erfindung liegt nun in der besonderen Verschachtelung zweier 8 × 8-Matrizen. Fig. 2 dient zur genaueren Darstellung dieser Verschachtelung. Die Hälfte der mit BK bezeichneten Koppler einer 8 × 8-Matrix ist auf der Vorderplatine und die andere Hälfte auf der Rückplatine angeordnet. Bei dem zweiten Achtersystem liegen die Koppler BK genau auf der umgekehrten Seite. Man erhält somit eine geringere Anzahl von koaxialen Durchführungen D, nämlich insgesamt 16 im Vergleich zu 24 Durchführungen bei zwei isolierten 8 × 8-Matrizen. Diese Reduktion führt zu geringeren Amplituden- und Phasenfehlern. Damit zur einfacheren Herstellung die Vorder- und Rückplatinen jeweils gleich sind, wird das Netzwerk achsensymmetrisch aufgebaut. Ohne Verschachtelung hätte man den doppelten Platinenaufwand benötigt. In Fig. 2 sind die Leitungen auf der oberen Platine (Vorderplatine) mit durchgezogenen Linien und die Koppler BK schraffiert gezeichnet, wogegen die Leitungen und Koppler BK auf der unteren Platine (Rückplatine) gestrichelt dargestellt sind.

Da jeweils nur zwei bestimmte 8 × 8-Matrizen des Teils A zu einem Koppler der vierten Kopplerreihe K 4 führen, werden jeweils gerade diese beiden 8 × 8-Matrizen ineinander verschachtelt. Somit besteht der Teil A nach Fig. 1 aus vier Masseplatten, die jeweils mit einer Vorder- und einer Rückplatine bestückt sind. Jeweils zwei übereinanderliegende Ausgänge des Teils A führen zu einem Koppler der zum Teil B gehörenden vierten Kopplerreihe K 4.

Wie Fig. 3 in einer Schrägansicht zeigt, stehen die Platinen des Teils B senkrecht zu den Platinen des Teils A. Die jeweils aus einer Vorder- und Rückplatine VP und RP bestehenden Platinenpaare haben dabei den gleichen Abstand wie die Koppler der dritten Kopplerreihe K 3, welche die letzte Kopplerreihe von Teil A bildet. Durch diese orthogonal zueinander stehende Plattenstruktur erspart man sich bei einer 64 × 64-Matrix die 160 Überkreuzungen zwischen der dritten und der vierten Kopplerreihe K 3 und K 4. Die Strukturierung des Teils A legt die in Teil B ebenfalls zu verschachtelnden 8 × 8-Matrizen fest.

Insgesamt besitzt die 64 × 64-Matrix nach der Erfindung 128 koaxiale Durchführungen D. Die Phasenverschiebungen zwischen den Kopplereingängen sind durch Leitungslängen realisiert, d. h. die in Fig. 2 geradlinig dargestellten Leitungszüge werden in Wirklichkeit bogenförmig und zum Teil geschlängelt ausgebildet. Als Richtkoppler BK ist im Ausführungsbeispiel der auf hohe Isolation und Anpassung sowie eine gute 3dB-Aufteilung optimierte Branchline-Koppler gewählt.

Die Struktur einer gemäß der Erfindung auszubildenden Butler-Matrix gestattet nicht nur die Diagrammbildung einer linearen Gruppenantenne mit 64 äquidistant zueinander angeordneten Einzelstrahlern St wie im Ausführungsbeispiel, sondern auch die Keulenbildung einer planaren 8 × 8-Gruppenantenne mit in quadratischer Gitterstruktur angeordneten Einzelstrahlern. Hierzu sind die Phasen im Teil A beizubehalten und die Platten des Teils B durch diejenigen des Teils A zu ersetzen, so daß zwei Teilnetzwerke vom Typteil A hintereinander geschaltet werden.

Claims (7)

1. Nach Art einer Butler-Matrix in Streifenleitertechnik aufgebautes, 64 Eingänge und 64 Ausgänge aufweisendes, aus in sechs Reihen liegenden, zum Teil über Phasenverschiebungseinrichtungen untereinander verbundenen 3dB-Kopplern bestehendes Mikrowellen-Netzwerk, an dessen 64 Eingängen jeweils einer von 64 eine Gruppenantenne mit regelmäßiger Gitterstruktur angehörenden Einzelstrahlern liegt und an dessen 64 Ausgängen jeweils eines von 64 verschiedenen Richtungsdiagrammen der Gruppenantenne abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufteilung des Netzwerks in zwei Teile (A, B) vorgesehen ist, von denen der eine (A), ausgehend von den 64 Netzwerkeingängen (E), drei Reihen (K 1, K 2, K 3) von 3dB-Kopplern und von denen der andere (B), ausgehend von den 64 Netzwerkausgängen (Z) die anderen drei Reihen (K 6, K 5, K 4) von 3dB-Kopplern aufweist, daß die beiden Teile (A, B) jeweils aus acht identischen Unterstrukturen bestehen, von denen jede für sich eine vollständige 8×8-Matrix mit acht Eingängen und acht Ausgängen darstellt, daß jeweils zwei der letztgenannten 8×8-Matrizen zu einer Einheit derart verschachtelt sind, daß erstens die eine Hälfte der 3dB-Koppler einer dieser Matrizen auf einer Vorderplatine und zweitens die andere Hälfte der 3dB-Koppler auf einer Rückplatine angeordnet sind, daß drittens die 3dB-Koppler der anderen dieser beiden Matrizen genau umkehrt auf diesen beiden Platinen liegen und daß viertens zur Verbindung der 3dB-Koppler sechzehn koaxiale Übergänge von einer Platine zur anderen Platine vorgesehen sind, zwischen denen eine Masseleiterplatte angebracht ist, daß die beiden Netzwerkteile (A, B) über elektrische Steckverbindungen oder Drahtverbindungen miteinander verbunden sind und daß die zwischen den 3dB-Koppler-Anschlüssen vorgesehenen Phasenverschiebungseinrichtungen in den Matrizen durch Leitungslängen auf den Platinen realisiert sind.

2. Mikrowellen-Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorder- und Rückplatine einer zwei verschachtelte 8×8-Matrizen bildenden Einheit gleich ausgebildet sind.

3. Mikrowellen-Netzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorder- und Rückplatine einer zwei verschachtelte 8×8-Matrizen bildenden Einheit achsensymmetrisch aufgebaut sind.

4. Mikrowellen-Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl zweier eine verschachtelte Doppelmatrix-Einheit bildender 8×8-Matrizen so getroffen ist, daß in einem Netzwerkteil (A oder B) immer diejenigen zwei bestimmten 8×8-Matrizen ineinander verschachtelt werden, die bei der Verbindung der beiden Netzwerkteile an gemeinsame 3dB-Koppler des jeweils anderen Netzwerkteils (B bzw. A) geführt sind.

5. Mikrowellen-Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung bei einer linearen Gruppenantenne mit 64 äquidistant zueinander angeordneten Einzelstrahlern (St) die beiden miteinander verbundenen Netzwerkteile (A, B) unterschiedlich ausgebildet sind, daß die insgesamt vier Platinenpaare des einen Teils parallel zueinander verlaufen und senkrecht zu den ebenfalls insgesamt vier, parallel zueinander angeordneten Platinenpaaren des anderen Teils stehen, und daß zur elektrischen und mechanischen Verbindung, vorzugsweise Steckverbindung, der beiden Netzwerkteile in einer Ebene in jedem der beiden Netzwerkteile die am nächsten zur Verbindungsebene liegenden 3dB-Koppler (K 3, K 4) auf jeder der Platinen einen Abstand aufweisen, der dem Abstand zwischen den Platinenpaaren in dem jeweils anderen Netzwerkteil entspricht.

6. Mikrowellen-Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anwendung bei einer planaren Gruppenantenne mit 64 in einer quadratischen Gitterstruktur regelmäßig in Spalten und Zeilen angeordneten Einzelstrahlern die beiden miteinander zu verbindenden Netzwerkteile gleich ausgebildet und hintereinandergeschaltet sind, wobei jeder dieser Teile baulich demjenigen Netzwerkteil (A) entspricht, der sich mit seinen drei 3dB-Kopplerreihen (K 1, K 2, K 3) an die zu den Einzelstrahlern (St) führenden Netzwerkeingänge (E) anschließt.

7. Mikrowellen-Netzwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die 3dB-Koppler in Form sogenannter Branchline-Koppler (BK) ausgebildet sind.