DE3521026C2 - Phasengesteuerte Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine phasengesteuerte Anten­ ne der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebe­ nen Art.

Bei solchen phasengesteuerten Antennen mit einer Vielzahl von einzelnen Strahlerelementen ist für jede Veränderung der Form und/oder Richtung des Anten­ nendiagramms eine Neueinstellung der digital, zum Bei­ spiel in 3 Bit - Abstufung, einstellbaren Phasenschieber jedes einzelnen Strahlerelements erforderlich. In Sie­ mens Forschungs- und Entwicklungsberichte Bd. 2 (1973) Nr. 6, S. 355-359 sind die grundsätzlichen Pha­ senrechnerkonzepte, die zur Ermittlung der Gesamtheit der Phaseneinstellwerte für alle Strahlerelemente her­ angezogen werden können, beschrieben:

• a) Abspeichern aller Werte für alle im Einsatz der Antenne zu erwartenden Kombinationen von Dia­ grammform und Hauptstrahlrichtung und Adres­ sierung der Speicher nach Maßgabe von Azimut- und Elevationsablenkung, Frequenz und gewünsch­ ter Diagrammform. Dies führt zu einem sehr hohen Speicherbedarf.
• b) Neuberechnung aller Phaseneinstellwerte für je­ de neue Diagrammform oder -richtung nach Maß­ gabe von Azimut und Elevationsablenkung, Fre­ quenz und Diagrammform bei Kenntnis der Anten­ nengeometrie aus vorgegebenen Berechnungsvor­ schriften. Insbesondere die Berücksichtigung der Diagrammform und der gekrümmten Phasenfront bei strahlungsgespeisten Antennenarrays ergibt ei­ nen bei sehr hoher Zahl von Strahlerelementen kaum noch zu vertretenden Rechenaufwand.
• c) Neuberechnung nur der Ablenkphasenwerte nach Maßgabe von Azimut- und Elevationsablen­ kung und Frequenz, Abspeichern von Korrektur- Phasenwerten für wenige Diagrammformen und größere Frequenzteilbereiche des gesamten Ar­ beitsfrequenzbereichs. Die jeweilige Neuberech­ nung der Ablenkphasenwerte kann auf wenige Multiplikationen und auf nachfolgende Additionen zurückgeführt werden. Der Speicheraufwand für die Korrekturwerte bleibt in vertretbarem Um­ fang. Die endgültigen Phaseneinstellwerte ergeben sich aus der Summe von Ablenkphasenwert und Korrekturphasenwert für jedes Antennenelement. Die Berechnung aller Phasenwerte ist auf mehrere parallel arbeitende Subphasenrechner innerhalb des Phasenrechners verteilt. Die während eines Be­ rechnungszyklus in den einzelnen Subphasenrech­ nern sequentiell ermittelten Phaseneinstellwerte werden bis zum Ende des Berechnungszyklus zwi­ schengespeichert und dann gleichzeitig zur Einstel­ lung aller Phasenschieber ausgelesen.

Eine andere Lösung ist in EP 01 37 562 A2 angegeben, wo bei einer phasengesteuerten Antenne am Ort jedes einzelnen Strahlerelements ein eigener Rechenbaustein angeordnet ist. Die einzelnen Rechenbausteine enthal­ ten eine Rechenvorschrift, die als feste Größen element­ spezifische Werte und als variable Größen Parameter enthält die in Abhängigkeit von Form und Richtung des Diagramms und der Frequenz in einem zentralen Re­ chenwerk ermittelt und an die Rechenbausteine über­ tragen werden. Dies führt zu einem sehr hohen Bedarf an hoch komplexen Rechenbausteinen und damit zu sehr hohen Kosten.

Da bei jedem Strahlerelement ein Phasenschieber an­ geordnet ist, dem veränderliche Einstellwerte zuführbar sein müssen, nimmt mit zunehmender Zahl der Strahler­ elemente in gleichem Maße auch die Zahl der Zuleitun­ gen zu den Phasenschiebern zu, was insbesondere bei Antennen für höhere Frequenzbereiche mit entspre­ chend höherer Packungsdichte der Strahlerelemente zu Schwierigkeiten bei der Verdrahtung führen kann.

Aus der DE 33 28 711 A1 ist weiterhin eine phasengesteuerte Anten­ nenanordnung mit matrixförmig angeordneten Strahlerelementen be­ kannt. Dabei ist jedes Strahlerelement mit einem digital ausgebilde­ ten Phasenschieberelement zusammengeschaltet. Diese Zusammenschal­ tung wird hier auch Modul genannt. Solche Module sind in Reihen (je­ weils Zeilen oder Spalten) zusammengeschaltet. Jede Reihe wird von einem zugehörigem Phasenrechner angesteuert. In diesem wird für je­ des Modul der Reihe mit Hilfe von Multiplikations- und Additionsope­ rationen ein Phaseneinstellwert ermittelt und zwischengespeichert. Mit Hilfe dieser Zwischenspeicherung kann die Antenne dann schlagar­ tig auf ein anderes Richtdiagramm umgeschaltet werden. Die zu den (Modul-)Reihen gehörenden Phasenrechner werden von einem zentralen Steuerrechner parallel angesteuert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine phasengesteuerte Antenne der ein­ gangs genannten Art anzugeben, die auch bei großer Anzahl und gerin­ gem Abstand der Strahlerelemente wenig Aufwand zur veränderbaren Einstellung der Phasenschieber erfordert.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche be­ inhalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung.

Der Aufbau der Antenne aus gleichen Modulen er­ möglicht, unterschiedliche Antennenaperturen und -konturen mit den gleichen Bauteilen aufzubauen. Vor­ zugsweise sind die Spaltenzahl und die Zeilenzahl inner­ halb eines Moduls zumindest annähernd gleich, das heißt die Module annähernd quadratisch, was von Vor­ teil für das Verteilungsnetzwerk am Ort der Module ist, über welches die über die eine Datenleitung übermittel­ ten Phaseneinstellwerte den verschiedenen Phasen­ schiebern des Moduls zugeleitet werden. Dieses Vertei­ lernetzwerk kann kostengünstig in gedruckter Schal­ tungstechnik ausgeführt werden, so daß die Verdrah­ tung zur Verbindung mit dem Phasenrechner nur noch eine der Anzahl der Module gleiche Anzahl von Daten­ leitungen umfaßt und somit einen gegenüber bekannten Antennen vergleichsweise geringen Aufwand darstellt. Die benötigten Bauteile sind größtenteils Addierer und Register, lediglich für die Berechnung der Phaseninkre­ mente werden zwei Multiplizierer bzw. ein zeitsequen­ tiell arbeitender Multiplizierer benötigt. Weitere Ver­ drahtungen wie zum Beispiel für Steuerleitungen oder Testsysteme (BITE) sind gleichfalls für jeden Modul nur einfach erforderlich.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt

Fig. 1 Ansicht eines Modul von der Seite der Strahler­ elemente,

Fig. 2 Aufbau einer Antenne aus einer Mehrzahl von Modulen,

Fig. 3 Prinzip des Phasenrechners.

Ein einzelner Modul M besteht aus p-q einzelnen Strahlerelementen ST, die in p Spalten und q Zeilen angeordnet sind. Die Strahlerelemente sind in gedruck­ ter Schaltungstechnik als kreisrunde metallische Ele­ mente auf einer Trägerplatte ausgeführt.

Die Trägerplatte weist auf der den Strahlerelementen abgewandten Seite eine weitere Leitungsebene auf (Sandwich-Bauweise), welche gleichfalls in gedruck­ ter Schaltungstechnik die Phasenschieber enthält. Diese können zum Beispiel vorteilhafterweise als mittels PIN- Dioden schaltbare Mehr- Bit- Reflexionsphasenschieber ausgeführt sein. Die Verbindung zwischen Strahlerele­ ment und Phasenschieber erfolgt über eine durch die Platte hindurchgeführte, bei den Strahlerelementen aus der Mitte des einzelnen Elements versetzte Verbin­ dungsleitung V. Die Stromzuführung zu den PIN-Di­ oden erfolgt über Federkontakte zu einer fest mit der Trägerplatte verbundenen Verteilerplatte, welche den Zwischenspeicher, Treiberelektronik etc. trägt. Die Mo­ dule sind bevorzugterweise quadratisch (Fig. 1), Die Antenne A (Fig. 2) ist aus lauter gleichen Modu­ len M aufgebaut. Die n Spalten und m Zeilen der Strah­ lerelementeanordnung sind durch den Modulaufbau in s Spaltengruppen mit jeweils p benachbarten Spalten und r Zeilengruppen mit jeweils q benachbarten Zeilen un­ terteilt. Wie leicht ersichtlich ist gelten die Zusammen­ hänge n = p × s und m = q × r. Die Überschneidungen der Zeilengruppen mit den Spaltengruppen stellen die r × s Plätze der Module dar, wobei nicht alle der Plätze besetzt sein müssen, wie in Fig. 3 angedeutet ist.

Zu jedem Modul führt eine serielle Datenleitung L von einem der Subphasenrechner des Phasenrechners.

Dieser Phasenrechner PR ist in Fig. 3 skizziert, wobei zum einfacheren Bezug auf die Antennenanordnung die Subphasenrechner, von denen je einer einem Modul der Antenne zugeordnet ist, im gleichen Flächenmuster wie die Antennenmodule in Fig. 2 angeordnet sind.

Von einem Zentralrechner ZR werden die Vorgabe­ daten für das als nächstes einzustellende Diagramm an den Phasenrechner PR übergeben.

• - Schwenkwinkel Az in Azimuth
• - Schwenkwinkel El in Elevation
• - Codeziffer C des Antennendiagramms (z. B. C = 1 : Pencil Beam, C = 2 : cosec-Diagramm, usw.)
• - Frequenz f.

Anschließend erfolgt nach bekanntem Verfahren durch Multiplikation die Berechnung der Ablenk-Pha­ seninkremente Δx, Δy zwischen benachbarten Strahlern aufeinanderfolgender Spalten (x-Koord.) bzw. aufeinan­ derfolgender Zeilen (y-Koord.) und Abspeicherung der errechneten Werte in einem zugeordneten x- bzw. y-Akkumulator (Akk).

Durch sukzessive Akkumulation werden für alle m Strahlerzeilen bzw. parallel dazu für alle n Strahlerspal­ ten die erforderlichen Ablenk-Phasenwerte errechnet und diese mit in einem Steuerwerk SW erzeugter auf­ steigender Adressierung in zwei getrennten Speicher­ blöcken x-RAM bzw. y-RAM so abgelegt, daß die p bzw. q aufeinanderfolgenden x- bzw. y-Phasenwerte in einem einzelnen x- bzw. y-RAM gespeichert werden. Dazu sind s x-RAMS bzw. r y-RAMS erforderlich.

Die x- bzw. y-RAMS können dann wie in Fig. 3 als Achsen eines Matrix-Systems dargestellt werden, wobei sich in den Schnittpunkten der Matrix entsprechend den besetzten Modulplätzen der Antenne je ein Summier­ netzwerk als Sub-Phasenrechner S-PR befindet.

Zu jedem Sub-Phasenrechner S-PR ist außerdem je ein Lesespeicher eines Lesespeicherblocks ROM vor­ handen. In jedem dieser Lesespeicher sind Korrektur­ phasenwerte für jedes einzelne Strahlerelement des zu­ geordneten Moduls in Abhängigkeit von Frequenz und Diagrammform gespeichert, wobei für die Frequenzab­ hängigkeit nur einige wenige größere Frequenzteilbe­ reiche TB des gesamten Betriebsfrequenzbereichs vor­ gesehen sind. Der Frequenzteilbereich TB und die Co­ denummer C des gewählten Diagramms liegen deshalb in dem Speicherblock als Adresseninformation zur par­ allelen Adressierung aller Lesespeicher vor. Als weitere Adresseninformation wird dem Lesespeicherblock noch die modulinterne Adresse eines einzelnen Strahlerele­ ments zugeführt.

Diese modulinterne Adresse, die aus der Spaltennum­ mer (1 bis p) innerhalb einer Spaltengruppe und der Zeilennummer (1 bis q) innerhalb einer Zeilengruppe besteht, wird in einem Steuerwerk SW generiert, wel­ ches innerhalb eines Berechnungszyklus zur Berech­ nung aller Phaseneinstellwerte für eine neue Dia­ grammeinstellung sequentiell alle p × q internen Adres­ sen eines Moduls generiert. Die Berechnung der Pha­ seneinstellwerte erfolgt für alle Module parallel und in­ nerhalb eines Moduls für die p × q einzelnen Strahler­ elemente sequentiell. Gleiches gilt für die Übermittlung der berechneten Phaseneinstellwerte an die Zwischen­ speicher am Ort der Module. Die Übertragung der Pha­ seneinstellwerte zu den Modulen erfolgt in serieller Form.

Nach p × q Additionsschritten sind alle Phasenein­ stellwerte berechnet und am Ort der Module zwischen­ gespeichert. Durch einen allen Modulen gleichzeitig zu­ geführten Triggerimpuls werden die zwischengespei­ cherten Phasenwerte in ein nachgeschaltetes Ausgabe­ register übernommen und die Antenne schlagartig auf das neue Diagramm eingestellt.

Claims (6)

1. Phasengesteuerte Antenne mit einer Vielzahl von in n Spalten und m Zeilen angeordneten Strahlerelementen, wobei

• - jedem Strahlerelement ein digital einstellbarer Phasenschie­ ber sowie ein Zwischenspeicher zur Zwischenspeicherung eines den Phasenschieber betreffenden Phaseneinstellwertes zuge­ ordnet ist,
• - die Phaseneinstellwerte durch einen Phasenrechner, der meh­ rere Subphasenrechner enthält, innerhalb eines Phasen- Berechnungszyklus ermittelt werden und
• - die Zwischenspeicher den Subphasenrechnern zugeordnet sind,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß eine Mehrzahl von in einer Spaltengruppe aus p benach­ barten Spalten und einer Zeilengruppe aus q benachbarten Zeilen gelegenen p·q Strahlerelemente (St) zu einem Modul (M) zusammengefaßt sind,
• - daß die Antenne aus mehreren gleich aufgebauten Modulen (M) zusammengesetzt ist,
• - daß jedem Modul (M) ein eigener Subphasenrechner (S-PR), der als Summiernetzwerk ausgebildet ist, zugeordnet ist,
• - daß jeder Subphasenrechner (S-PR) mit dem zugeordneten Modul (M) über nur eine Datenleitung (L) verbunden ist,
• - daß ein Steuerwerk (SW) im Phasenrechner für einen Phasen- Berechnungszyklus sukzessiv alle Adressen der p·q einzelnen Strahlerelemente (St) eines Moduls (M) generiert und für alle Subphasenrechner (S-PR) parallel die Berechnung der Phaseneinstellwerte für die jeweiligen Strahlerelemente der Module (M) und die Übermittlung der Phaseneinstellwerte an die den Modulen zugeordneten Zwischenspeicher veranlaßt und
• - daß am Ort jedes Moduls Mittel zur gleichzeitigen Einstel­ lung aller Phasenschieber des Moduls nach Abschluß des Be­ rechnungszyklus vorhanden sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Phasenrechner Mittel zur Berechnung je eines Zeilen- Ablenkphasenwerts pro Zeile und je eines Spalten- Ablenkphasenwerts pro Spalte vorhanden sind,
daß zu jeder Zeilengruppe ein Zeilenspeicher (y-RAM) und zu jeder Spaltengruppe ein Spaltenspeicher (x-RAM) zur Zwischenspeicherung der Zeilen- bzw. Spalten-Ablenkphasen­ werte vorhanden ist, wobei die Zeilenspeicher unterein­ ander und die Spaltenspeicher untereinander gleich aufge­ baut und parallel adressierbar sind,
daß jeder Subphasenrechner (S-PR) mit je einem Eingang mit demjenigen Spaltenspeicher und Zeilenspeicher ver­ bunden ist, die der Spalten- bzw. Zeilengruppe ent­ sprechen, die den zugeordneten Modul enthalten, und daß jeder Subphasenrechner die Summe der an seinen Ein­ gängen anliegenden Phasenwerte bildet.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zu jedem Subphasenrechner ein Lesespei­ cher mit Korrektur und Diagrammform-Phasen­ werten vorgesehen ist, dessen Ausgang mit einem weiteren Eingang des jeweiligen Subphasenrech­ ners verbunden ist, wobei alle Lesespeicher (ROM) parallel und gleichzeitig mit den Spaltenspeichern und Zeilenspeichern adressierbar sind.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (ST) als gedruckte Schaltungen mit den Modulen als Trägerplatte ausgeführt sind (Fig. 1).

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trägerplatte auf der den Strahlerele­ menten abgewandten Seite eine weitere Leitungs­ ebene aufweist, welche die Phasenschieber in ge­ druckter Schaltungstechnik enthält.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zahl p der Spalten pro Spaltengruppe und die Zahl q der Zeilen pro Zeilengruppe gleich sind.